光催化还原CO2生成增值的化学品和燃料已成为缓解全球变暖和能源危机的一种非常有前景的策略。考虑到发展和实施可持续碳中和经济的紧迫性，亟需开发和设计高效、高选择性及稳定的光催化体系。近年来，各种光催化剂的设计和光催化体系模型的优化，已经被用于探索高效光催化CO2还原。基于动力学和热力学反应条件，在水相体系中光催化还原H2相比还原CO2更加容易，这将导致在还原CO2的过程中存在着严峻的析氢副反应，显著降低碳基产物的产率及选择性。因此，在水相体系实现高效高选择性的光催化CO2还原具有非常高的难度。
近日，材料学院贾长超副教授、刘健教授团队提出了一种新思路，通过利用H2O2调节催化剂表面微环境，有效解决水相体系析氢副反应的问题。该科研成果以“Microenvironment Modulation of Ultrathin Bronze-Phase TiO2Nanosheets for Highly Selective Photocatalytic CO2Reduction in Water”为题，发表在材料科学领域TOP期刊Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater., 2023, 2311663.https://doi.org/10.1002/adfm.202311663）。该成果的第一单位和通讯单位为青岛科技大学。
本研究设计合成了尺寸厚度为~3 nm的超薄青铜相TiO2（TiO2-B，TB）片层组成的层级结构样品作为模型光催化剂。利用H2O2分子在TB表面结合形成TB-H2O2（TBHO）活性相，增强了CO2分子吸附并促进了传质。此外，H2O2为催化剂表面提供了弱酸性微环境，有效调节了质子耦合电子转移路径，从而稳定了*COOH中间体。结果显示，通过H2O2的协助，超薄TB纳米片在水相光催化还原CO2过程中表现出优异的CO生成速率（29.1 μmol g−1h−1，是纯TB样品催化性能的11.2倍），并具有近100%的高选择性。
此外，该团队为探索光催化剂面临的其表面对CO2分子弱的吸附和活化能力，严重阻碍光催化CO2还原效率的问题，设计了含有受阻路易斯对（FLPs）的分层级中空TiO2-x空心盒子高效光催化剂，实现了无牺牲剂、无助催化剂条件下的水相高效光催化CO2还原。该工作通过利用原位拓扑转换方法将钙钛矿微米立方块成功构筑成含有受阻路易斯对（FLPs）的分层级中空TiO2-x空心盒子，TiO2-x表面的FLPs是由OVs（Lewis酸位点）及其近端表面羟基（Lewis碱位点）构成。含有FLPs活性位点的催化剂表现出出色的CO2吸附和活化能力，继而呈现优秀的光催化还原CO2为CO的活性。这一发现为在单组分固体光催化剂表面通过原位拓扑变换构建FLPs开辟了一条新途径，也为构筑高效的太阳能转化为化学能的光催化剂提供了新方法。该科研成果以“Construction of frustrated Lewis pairs on TiO2-xderived from perovskite for enhanced photocatalytic CO2reduction”为题，发表在化工领域TOP期刊Chemical Engineering Journal上（Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131554.https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131554）。该成果青岛科技大学为唯一通讯单位。
上述课题研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金及青岛科技大学科研启动基金等项目的资助。
