近日，我院綠色化學與化工技術創新團隊的最新研究論文“Elucidating protonation pathways in CO2 photoreduction using the kinetic isotope effect” 在自然科學領域頂級期刊Nature Communications (IF:17.69)上在線發表。菠菜技术交流论坛為第一完成單位，博士生尹士康為第一作者，闫研教授和霍鵬偉教授為通訊作者。
金屬氧化物半導體表面光催化二氧化碳還原反應的具體反應路徑一直是個充滿争論的重要科學問題。科學家通常認為界面光催化反應與費托反應/塞巴斯蒂安合成氣反應等具有相似的反應路徑，即電子轉移誘導的自由基路徑（Path I）。然而，直線型CO2分子具有強共轭結構，在極性金屬基光催化劑表面通常難以形成有效的快速電子傳遞以完成自由基反應路徑。相對地，CO2分子通過質子化在催化劑表面形成吸附從而誘導後續電子轉移反應的質子化反應路徑（Path II）更為合理。然而，上述反應路徑皆缺乏直接的實驗證據，難以厘清。
基于此，綠色化工技術團隊闫研、霍鵬偉教授課題組利用動力學同位素效應與精細原位界面表征技術，首次直接确認了二氧化钛表面光催化還原CO2形成CO的反應是以質子化路徑實現，并實現了對CO2質子化中間體O=C=O-H+/D+的譜學表征。厘清了困擾光催化體系多年的反應路徑争議，并進一步揭示了催化劑供質子能力大于供電子能力是光催化CO2還原體系更易得到低碳産物（CO、CH4）而非高碳産物（C2+）的根本原因，也是與費托反應/塞巴斯蒂安合成氣反應等高碳合成策略的本質區别。該研究厘清了催化劑界面反應中間體與反應路徑間的密切關系，界面化學反應機理與性能之間關系的新認識得到進一步深入。
該研究成果得到了國家自然科學基金項目的資助。
文章鍊接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-44753-x
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