操作扫描光电化学显微镜揭示光子能量调控CO2还原选择性

B910化工消息：6月8日消息，发表在arXiv（编号2606.09612）的一篇论文首次通过定量操作扫描光电化学显微镜（photo-SECM）直接证明调控光子能量可切换CO2电还原反应的产物选择性。研究由来自多个机构的9位研究者合作完成，包括Fatemeh Kiani、Milad Sabzehparvar、Priscila Vensaus、Elif Nur Dayi、Olga D'Anania、Tarique Anwar、Nuria Lopez、Ravishankar Sundararaman和Giulia Tagliabue。

CO2还原（CO2R）是将CO2转化为燃料和化学品的关键技术路线，但产物选择性控制一直是未解决的核心难题。研究团队在等离激元Au/p-GaN光阴极上发现，带间激发（460-560nm）驱动选择性CO生成，而带内激发（640-800nm）偏向H2析出。研究通过在所有波长下保持恒定吸收功率并确认线性功率依赖性，成功将热载流子能量的作用与光子贡献和光热效应区分开来。

密度泛函理论（DFT）计算揭示，高能带间激发逐步增加了热电子可及态与CO生成中间体之间的重叠，选择性地促进CO而非甲酸根的生成，理论与实验高度吻合。

研究进一步发现选择性受热载流子输运的几何门控：100nm以下的纳米结构维持CO2还原活性，而约300nm的纳米盘因输运损失导致反应抑制，这与从头算热载流子输运计算一致。

这些结果确立了光子能量、载流子输运和纳米结构几何作为等离激元CO2还原选择性的耦合设计参数，解决了等离激元驱动选择性效应起源的长期争论。研究同时将photo-SECM定位为光电催化领域广泛适用的操作表征平台。

从产业应用角度看，光驱动CO2还原制化学品和燃料被视为实现碳中和的重要技术路径。如果能精确控制产物选择性，将为CO2制CO或CO2制H2等不同应用场景提供定制化的光催化方案。该研究为设计下一代等离激元光催化剂提供了明确的设计准则：通过调控入射光波长和纳米结构尺寸实现对CO2还原产物的精确调控。参与研究的Nuria Lopez来自西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ），Ravishankar Sundararaman来自美国伦斯勒理工学院（RPI）。 （来源：arXiv）