Achieving Almost 100% Selectivity in Photocatalytic CO2 Reduction to Methane via In‐Situ Atmosphere Regulation Strategy

光催化 选择性 催化作用 吸附 材料科学 分子 甲烷 光化学 化学工程 人工光合作用 纳米技术 化学 有机化学 工程类
作者
Wanyi Zhang,Chaoyuan Deng,Li Wang,Hua Sheng,Jincai Zhao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1002/adma.202405825
摘要

Abstract Artificial photosynthesis, harnessing solar energy to convert CO 2 into hydrocarbons, presents a promising solution for climate change and energy scarcity. However, photocatalytic CO 2 reduction often terminates at the CO stage due to limited electron transfer capacity, hindering the formation of higher‐energy hydrocarbons such as CH 4 . This study introduces, for the first time, an in‐situ atmosphere regulation strategy, refined from molecular imprinting methodologies, using dynamically reacting molecules to precisely engineer photocatalytic surface sites for selective *CO adsorption and hydrogenation in CO 2 ‐to‐CH 4 conversion. Specifically, the single‐atom Cu catalyst (Cu‐SA‐CO) is prepared by anchoring single‐atom Cu onto defective TiO 2 substrates (Cu‐SA‐CO) under a CO reduction atmosphere. Under illumination, the catalyst exhibited outstanding CH 4 selectivity (almost 100%) and productivity (58.5 µmol g −1 h −1 ). Mechanistic investigations reveal that the coordination environment of the Cu single atoms is significantly affected by dynamically reacting molecules (CO and *CH x O) during synthesis, leading to a Ti‐Cu‐O structure. The structure, with the synergistic interaction between Cu single atoms and oxygen defects, significantly enhances *CO adsorption and hydrogenation, thereby promoting the formation of methane. This work pioneers the use of dynamically reactive molecules as imprinted templates to tune photocatalytic CO 2 reduction selectivity, providing a novel avenue for designing efficient photocatalysts.
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