氧空位与铟掺杂协同调控BiOBr共价/非共价相互作用实现光催化CO2还原中吸附-转化过程解耦

本研究针对光催化CO2还原反应（CO2RR）中*COOH中间体吸附与转化过程的热力学耦合难题，提出通过氧空位（OVs）增强共价相互作用促进吸附、铟（In）掺杂调控非共价相互作用加速转化的解耦策略。研究人员构建的BiOBr-OVs-In催化剂在无牺牲剂条件下实现13.95 μmol·g?1·h?1的CO产率，较原始BiOBr提升6.5倍，为光催化CO2RR热力学平衡优化提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，光催化CO₂还原技术因其能利用太阳能将温室气体转化为高附加值燃料而备受关注。然而，该技术面临的核心挑战在于CO₂还原反应（CO₂RR）过程中关键中间体*COOH的吸附与转化存在热力学耦合效应——强吸附虽有利于中间体形成，却会抑制后续转化步骤，这一矛盾严重制约了反应效率。传统研究多聚焦于单一过程优化，而北京理工大学等单位的研究人员创新性地提出"过程解耦"策略，通过氧空位（OVs）和铟（In）掺杂分别调控共价与非共价相互作用，在BiOBr催化剂上实现了吸附-转化过程的独立优化，相关成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

研究团队采用乙二醇辅助溶剂热法合成BiOBr-OVs-In催化剂，结合X射线衍射（XRD）、电子顺磁共振（EPR）等技术确认材料结构，通过原位傅里叶变换红外光谱（in situ FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算揭示作用机制。

【Synthesis and Structural Characterizations】部分显示，BiOBr-OVs-In保持原始四方晶系结构（XRD验证），比表面积达88.354 m²/g（较原始BiOBr提升61%），EPR证实氧空位存在，X射线光电子能谱（XPS）证实In³⁺成功掺杂。

【Chemicals】至【Conclusion】的系统研究表明：氧空位暴露的Bi活性位点强化Bi-C共价键（DFT计算结合能降低1.8 eV），使COOH吸附能提升35%；而In掺杂通过增加表面羟基电子密度，将COOH与羟基的氢键强度削弱42%（非共价相互作用调控），显著加速*COOH脱氢步骤。这种"共价吸附-非共价转化"的解耦机制使CO产率突破至13.95 μmol·g^?1·h^?1，且催化剂在循环测试中保持90%以上活性。

该研究首次从相互作用力维度解耦CO₂RR热力学过程，不仅为设计高效光催化剂提供新范式，其"分步调控"策略更可拓展至其他多步催化反应体系。值得注意的是，研究通过国防基础科研等项目支持，实现了从基础研究（电子结构调控）到应用转化（无牺牲剂体系）的全链条创新，为人工光合成技术的实际应用奠定重要基础。