文献快讯：Nat. Commun. 纳米温室效应！实现全光谱驱动CO₂高效光催化还原制CH₄

【成果掠影 & 研究背景】

太阳能驱动的光催化二氧化碳还原（PCO₂R）技术，能够直接将CO₂、H₂O和阳光转化为碳氢燃料，是实现碳中和与可再生能源经济的关键路径之一。然而，该技术的发展长期受限于太阳能（尤其是低能光子）利用效率低、反应动力学缓慢以及高附加值产物（如CH₄）选择性难以控制等核心挑战。

近日，西安交通大学的研究团队受地球温室效应启发，设计并构建了一种无贵金属的核壳结构催化剂（Bi@Fe₂O₃），实现了“纳米尺度温室效应”，成功推动了全太阳光谱的级联利用，用于高效、高选择性地将CO₂和水还原为CH₄。在该设计中，金属铋（Bi）纳米核作为等离子体纳米加热器，主要吸收低能光子（如近红外光），通过局域表面等离子体共振效应产生高能热电子和局域纳米加热；而富含氧空位的疏松Fe₂O₃壳层则吸收高能光子，并作为催化反应床，接收注入的热电子并限制热量，协同促进CO₂的活化和深度加氢。得益于光化学与光热效应的协同作用，该系统在不使用任何外部加热或牺牲剂的条件下，在850 nm近红外光照下，实现了273.81 µmol g⁻¹ h⁻¹的CH₄产率、98.60%的选择性以及0.64%的表观量子效率（AQE），创造了无贵金属催化剂在该反应条件下的性能纪录。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 提出并实现了“纳米尺度温室效应”：模仿地球温室原理，设计了Bi核（吸热/产热）与Fe₂O₃壳（隔热/催化）的核壳结构，在纳米尺度上同时实现了光能捕获、热能局域化和催化反应的空间耦合。

• 构建了无贵金属的等离子体核壳催化剂：采用金属Bi替代传统的金、银等贵金属作为等离子体核心，降低了成本，并通过紧密的核壳界面确保了高效的电荷和能量传递。

• 实现了全太阳光谱的级联与协同利用：系统阐明了Bi核（主要利用可见-近红外光，产生热电子与热）与Fe₂O₃壳（主要利用紫外-可见光，产生电子-空穴对）在不同光谱区间的分工与协同机制，特别是证明了近红外光通过等离子体加热效应能显著提升整体反应性能。

• 获得了创纪录的催化活性和近红外光响应效率：在无需外加热的条件下，获得了目前报道中无贵金属催化剂将CO₂和H₂O光催化还原为CH₄的最高产率之一，并将近红外光（850 nm）下的表观量子效率提升至领先水平。

• 通过多尺度表征与理论计算揭示了高性能根源：结合原位光谱（DRIFTS, XPS）、超快光谱、微观表面电势分析以及DFT计算，明确了Fe₂O₃壳层中氧空位（Fe-VO）是关键的CO₂吸附与活化位点，Bi核注入的热电子在此富集，并与局域热场协同，降低了*COOH生成等关键步骤的能垒，从而驱动反应高选择性地通向CH₄。

图1：本工作与以往工作的对比示意图。

图2：形貌与结构表征。

图3：5-Bi@Fe₂O₃的全光谱光捕获和纳米尺度热局域化行为。

图4：PCO₂R的光/光热协同催化性能。

图5：电荷载流子动力学分析。

图6：光催化活性增强的机理分析。

【总结 & 原文链接】

本研究成功设计了一种具有“纳米温室效应”的Bi@Fe₂O₃核壳结构光催化剂，通过巧妙耦合等离子体光热效应与半导体光化学过程，实现了对全太阳光谱（尤其是近红外光）的高效利用，并协同加速了CO₂活化和多步加氢动力学，最终实现了在无外加热条件下将CO₂和水高选择性地还原为CH₄的卓越性能。这项工作不仅为设计高效、稳定的太阳能燃料合成催化剂提供了新思路，也为克服低能光子利用瓶颈、迈向全光谱太阳能转化技术开辟了切实可行的途径。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70960-9

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