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为解决光催化 CO?还原中表面反应动力学慢、光生电荷复合快的问题，研究人员开发了 Ni-W 双原子 / 聚合氮化碳（CN）催化剂。发现 W 位点强吸附活化 CO?，Ni 位点加速电荷分离，Ni-W/CN 的 CO 生成速率达 80.4 μmol g?1 h?1，为纯 CN 的 10.5 倍，揭示双原子协同机制。
在能源危机与全球变暖的双重压力下，利用太阳能将二氧化碳（CO?）转化为高价值化学品的光催化 CO?还原（PCR）技术，宛如一柄有望同时破解环境与能源困局的 “双刃剑”。然而，当前该领域正面临两大棘手难题：一是 CO?分子天生的高化学惰性，导致其在催化剂表面的转化反应如同被按下了 “慢放键”，反应动力学迟缓；二是光生电子与空穴这对 “冤家”，总是迅速复合，使得本就珍贵的光能利用率大幅折损。如何突破这两大瓶颈，成为全球科研人员日夜攻关的焦点。
为了攻克上述难题，西安交通大学的研究人员开展了一项颇具创新性的研究。他们致力于开发一种高效的无贵金属光催化剂，以实现 CO?的高效转化。研究团队构建了锚定在聚合氮化碳（CN）上的镍（Ni）- 钨（W）双原子位点催化剂（Ni-W/CN），并对其光催化 CO?还原性能及机制展开了深入探究。实验结果令人振奋，最优催化剂 Ni-W/CN 的光催化 CO?转化为 CO 的性能显著提升，CO 生成速率达到 80.4 μmol g?1 h?1，足足是纯氮化碳的 10.5 倍，为光催化领域的发展注入了新的活力。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为无贵金属光催化剂的设计与开发提供了新的思路和方向。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。通过像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）和 X 射线吸收精细结构（EXAFS），证实了 Ni-N?和 W-N?配位结构的存在，直观地展现了双原子位点在 CN 表面的原子级分散状态。利用密度泛函理论（DFT）计算、开尔文探针力显微镜（KPFM）以及变温光致发光光谱（temperature-dependent PL spectroscopy），系统地探究了催化机制，从理论和实验层面揭示了双原子位点的协同作用原理。
合成与微观结构表征
研究人员通过简单的煅烧和湿化学法合成了 CN、Ni/CN、W/CN 和 Ni-W/CN 催化剂。以三聚氰胺为原料，经两步煅烧制备出 CN 纳米片。采用湿化学法将 0.1 wt% Ni 和 0.3 wt% W 负载到 CN 纳米片上，并在氢氩气氛中煅烧，制得 Ni-W/CN。通过 TEM 和 AC-HAADF-STEM 观察发现，Ni-W/CN 保持了 CN 的纳米片结构，且 W 和 Ni 原子在 CN 表面呈原子级分散，元素 mapping 结果也证实了 W 和 Ni 的均匀分布，表明双原子位点成功负载到 CN 上。
催化机制与性能研究
实验和理论计算表明，Ni-W 双原子位点具有显著的协同效应。W 原子的 5d 轨道与 CO?分子存在强相互作用，能够将电子转移到 CO?分子的反键 π 轨道，从而实现 CO?分子在催化剂表面的高效吸附与活化，如同为惰性的 CO?分子打开了反应的 “大门”。而 Ni 原子的嵌入则能够使催化剂的最高占据分子轨道（HOMO）中富集 3d 电子，诱导光生空穴的富集，有效促进光生电荷的分离，减少了电子与空穴的复合，提高了光能的利用率。在双原子位点的协同作用下，Ni-W/CN 的光催化 CO?还原性能显著提升，CO 生成速率达到 84.9 μmol g?1 h?1，CO 选择性为 84.8%，分别是纯 CN、Ni/CN 和 W/CN 的 10.5 倍、4.1 倍和 2.9 倍，展现出优异的催化活性和选择性。
结论与意义
这项研究成功构建了锚定在 CN 上的 Ni-W 双原子位点催化剂，通过实验和理论计算揭示了双原子位点的双功能协同机制。W 位点作为强吸附和活化中心，有效解决了 CO?分子活化困难的问题；Ni 位点则通过调控 HOMO 组成，加速了光生电荷的分离，提高了电荷利用效率。两者的协同作用显著提升了光催化剂的表面反应活性和光生电荷分离效率，为 CO?的高效转化提供了新的路径。该研究不仅深入揭示了双原子位点的协同机制，还为设计和开发具有多原子位点的高效光催化剂提供了宝贵的经验，在光催化领域具有重要的科学意义和应用前景。未来，有望通过进一步优化双原子位点的组成和结构，开发出性能更优的光催化剂，推动光催化 CO?还原技术走向实际应用，为解决全球能源和环境问题贡献更多力量。
