文献快讯：Nat. Commun. 仿生光催化剂实现光驱动CO₂制甲醇高效转化

【成果掠影 & 研究背景】

光驱动二氧化碳加氢制甲醇是一种可持续的燃料生产途径，有助于实现碳中和目标。然而，传统光催化系统存在电荷分离效率低、光吸收有限和活性位点选择性差等问题，导致甲醇产率和量子效率难以提升。模仿自然光合作用的空间分离策略有望解决这些挑战，但人工材料中缺乏有序的质量和电荷转移网络，限制了其实际应用。

本研究受植物叶绿体启发，开发了一种模拟叶绿素的绿色纳米颜料——镍镓氧化物（NiGa₂O₄-x(OH)₉），其具有逆尖晶石结构和表面受阻路易斯对（SFLPs）。该材料通过光激发促进氢气异裂为质子和氢化物，并利用Ni(II)/Ni(III)与OH(-I)分别作为氢离子和质子的传输通道，模拟自然光合作用中的NADPH功能和暗反应过程。实验结果表明，该催化剂在300°C和光照条件下，甲醇产率高达3.20 mmol·h⁻¹·g⁻¹，选择性达79.6%，量子效率为3.0%，且稳定性优异，连续运行150小时性能无显著衰减。这一成果为光催化CO₂转化提供了新的设计思路。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 设计了一种模拟叶绿素光学特性的纳米颜料结构，通过逆尖晶石框架实现宽带光吸收，覆盖紫外至红光范围。

• 构建表面受阻路易斯对（SFLPs），通过Ga(III)/Ni(II,III)与O/OH的协同作用，实现氢气的高效异裂分裂。

• 提出质子-氢化物分离传输机制，Ni(II)/Ni(III)作为氢化物载体，OH(-I)作为质子导体，模拟自然光合作用的电子传递链。

• 光热协同催化策略：光激发不仅提供热效应，还通过d-d跃迁增强Ga-H键形成，加速反应中间体转化。

• 实现高达3.0%的量子效率，且光子至甲醇的选择性超过90%，显著优于现有光催化系统。

• 结合原位光谱（XPS、DRIFTS、XAFS）和理论计算，揭示了CO₂通过甲酸盐路径逐步加氢至甲醇的完整反应机制。

Fig. 1: 纳米颜料催化剂的设计方案与结构表征

Fig. 2: CO₂氢化催化性能测试与分析

Fig. 3: 活性位点的识别与表征

Fig. 4: 光对CO₂氢化反应的促进效应研究

Fig. 5: 反应机制的DFT理论研究

【总结 & 原文链接】

本研究成功开发了一种叶绿素模拟的镍镓氧化物纳米颜料，通过表面受阻路易斯对和质子介导的电荷转移机制，实现了光驱动CO₂高效加氢制甲醇。催化剂在宽光谱范围内表现出高活性和稳定性，其量子效率与甲醇选择性均达到国际领先水平。该工作不仅为人工光合作用系统提供了新范式，还通过多尺度原位表征与理论模拟深化了对光热协同催化机制的理解，为温室气体资源化利用奠定了坚实基础。未来可通过活性位点工程和光反应器优化进一步提升性能，推动太阳能炼厂的规模化应用。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65560-y

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