综述：氮化碳上原子位点的精确调控：从单原子到多原子结构在二氧化碳光还原中的应用综述

《Environmental Chemistry Letters》：Precise engineering of atomic sites on carbon nitride for carbon dioxide photoreduction from single-atom to multi-atom: a review

　　

摘要

利用太阳能驱动的光催化反应将二氧化碳转化为高附加值化学品，为实现碳中和提供了一条极具前景的绿色途径。聚合物碳氮化物因其对可见光的响应能力、环境友好性、低成本以及结构可调控性，而成为一种备受关注的无需金属的光催化剂。然而，天然的碳氮化物通常存在二氧化碳吸附和活化能力弱、光生载流子快速复合以及催化位点不足等问题，这些因素严重限制了其转化效率和产品选择性。通过原子级工程手段，可以创建结构明确的活性中心并调控碳氮化物的局部电子结构，从而有效克服这些固有缺陷。本文综述了在碳氮化物上对原子位点进行精确设计以用于光催化二氧化碳还原的研究进展，重点介绍了从单原子催化剂到双原子及多原子催化剂的演变过程。单原子位点能够增强二氧化碳的吸附与活化作用，降低关键氢化步骤的能量障碍，形成受限的路易斯对，并促进电荷分离与定向电子转移。经过单原子修饰的碳氮化物光催化剂，其C1产物产率可超过500微摩尔/克·小时，且选择性接近100%。多原子结构则能使相邻活性中心之间产生协同作用，有助于中间体的稳定存在，实现二氧化碳还原和水氧化的双功能催化，进而形成更高价值的C2产物。在已报道的条件下，多原子系统能实现C2产物的生成速率超过150微摩尔/克·小时，选择性高达98%。最后，本文还探讨了相关挑战与机遇，包括可大规模的合成方法、对原子结构的精确控制、标准化的性能评估体系、反应过程中的机理研究以及技术经济分析等。