10月23日，美国化学会志（J. Am. Chem. Soc）在线发表了我室能源与环境光催化国家重点实验室与中科院大连化学物理研究所及台湾大学等合作的 研究 论文（Communication），报道了它们在人工光合成领域取得重要研究进展。论文题目为“ Visible-Light driven overall conversion of CO ₂  and H ₂ O to CH ₄  and O ₂  on 3D-SiC@2D-MoS ₂  heterostructure ” [ 第一作者为 我室2 017 年届 博士生汪颖（福州大学）， 共 通讯作者为张子重（福州大学）、王绪绪（福州大学）和李灿（大连化物所） ] 。

众所周知，有机 物 燃烧 的逆反应— 二氧化碳 和水到有机物 （碳氢燃料） 和氧气的反应 是科学家梦寐以求的 过程。 模拟自然光合作用的光催化是实现这一过程最可行途径， 得到的燃料被形象地称作“液态阳光”或“太阳燃料”，可以从根本上解决能源和环境问题，因此 吸引 着 一代代科学家 前赴后继的 孜孜追求。

CO ₂ +  2H ₂ O = CH ₄  + 2O ₂ 是其中最具挑战性的反应之一。迄今 虽有 大量光催化剂被报道 ，但效果却不尽人意 。一些光催化剂 报道 表现 出 每小时每克催化剂数十甚至数百毫摩尔的CH ₄ 光催化 产率，但是 这类 光催化反应只能在三乙胺或三乙醇胺等有机物存在下进行。这种以有机牺牲剂为代价的二氧化碳还原 是不可持续的， 很可能不是 真正的 太阳能储存反应，甚至可能得不偿失。另有一些无机半导体，被报道不用牺牲剂可以实现CO ₂ 用纯水的还原，但是要么产率很低，要么只检测到有甲烷产生，没有检测到氧气释放或释放的氧气远低于化学计量比，这 种反应产物的非计量结果理论 上很难 让人理解 。因此，能将二氧化碳高效率地还原为甲烷并同时能将水 计量地 氧化为氧气 （或过氧化氢） 的人工光催化过程是真正的太阳能到化学能的转化过程， 无疑是 未来光催化研究追求的 根本 目标。

针对这一瓶颈问题，这篇论文的作者用纳米晶（3D-SiC）和二维纳米片（2D-MoS ₂ ）通过静电组装技术构筑出了一种万寿菊型纳米花 ，其 具有二型异质结和Z-scheme型电子构型。 这种 3D-SiC@2D-MoS ₂ 材料 拥有一个由有 更负导带电势SiC和 有 更正价带电势MoS ₂ 组成的、能被可见光激发的宽 表观有效带隙， 从 热力学有利于CO ₂ 的还原和H ₂ O的氧化； 异质结的内建电场对 SiC 和 MoS ₂ 中光生电子和空穴起到定向作用，同时复合材料中的 SiC 具有高 电子迁移率 而低 穴迁移率，MoS ₂ 则相反，具有高 空穴迁移率 而低 电子迁移率， 这从 动力学上保证了光生电子和空穴 能 同时快速 地分别 向SiC和MoS ₂ 表面迁移。加上 ， 特殊的花型结构使SiC和MoS ₂ 表面充分地暴露并与反应物接触。 活性评价表明， 最佳的样品 （ 含有60 wt% MoS ₂ 的样品 ） 在可见光照射下表现出 高达 323 μL g ^-1 h ^-1 的甲烷产率和 620 μL g ^-1  h ^-1 氧气释放，对400 nm光源甲烷的量子产率达到 1.75%。这是目前可见光下CO ₂ 用纯水 全 还原反应的最高产率。详细的产物分布 分析 和同位素示踪 等 实验表明， 伴随着H ₂ O 到O ₂ 的氧化， CO ₂ 在这个复合物上 是 按照CO ₂  → HCOOH → HCHO → CH ₃ OH → CH ₄ 的加氢途径一步步被还原为甲烷，其中吸附CO ₂ 分子到 自由基 (COOH•) _ad 中间体的单电子基元反应为整个反应的速控步。

这个工作为开发高效的CO ₂ 用水的全还原复合光催化剂提供了一条 新 思路，特别是对匡正学术界对于人工光合成的理解具有重要学术意义。 该研究工作得到国家自然科学基金（21673043, 21673042 ， 51702053和U1305242）等资助。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b09344