锌/镓双助催化剂耦合原电池与Z型效应增强以水为电子供体的二氧化碳光催化转化

本研究针对单助催化剂在CO2 光催化转化中活性不足的问题，开发了Zn0 /非晶态ZnGa2 O4 双助催化剂体系。通过耦合原电池效应与Z型电子传递机制（NaTaO3 /Zn0 /ZnGa2 O4 ），显著提升了以H2 O为电子供体的CO2 选择性还原为CO的效率，为设计高效光催化系统提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，如何将温室气体CO₂
高效转化为高附加值化学品成为研究热点。尽管光催化技术利用太阳能驱动反应极具潜力，但现有单助催化剂体系存在电子传递效率低、产物选择性差等瓶颈。传统Ag、Cr(OH)₃
等助催化剂虽能促进CO₂
还原，但往往伴随H₂
O氧化动力学迟缓的问题。更棘手的是，O₂
的逆反应会消耗产物，导致量子效率难以突破。

为解决这一难题，中国研究人员创新性地设计了锌/镓双助催化剂体系。该团队发现，在NaTaO₃
、Ga₂
O₃
等光催化剂表面构建Zn⁰
与无定形ZnGa₂
O₄
的复合结构时，会产生双重增效机制：一方面，Zn⁰
与ZnGa₂
O₄
之间形成微观原电池，加速电子转移；另一方面，Zn²⁺
在NaTaO₃
与ZnGa₂
O₄
界面作为电子媒介，构建了Z型异质结。这种协同作用使CO产率显著提升，同时抑制了副反应。该成果发表于《Journal of Environmental Sciences》，为设计新型光催化系统提供了理论依据和实践范例。

关键技术包括：1）固相法和水热法合成NaTaO₃
光催化剂；2）光沉积法制备Zn⁰
助催化剂；3）电化学测试验证CO₂
还原性能；4）X射线衍射（XRD）和紫外-可见光谱表征材料结构。

【重要发现】

1. Zn/Ga双助催化剂组分作用：实验证实Zn⁰
   、溶解态Zn²⁺
   和GaO₂
   ^-
   缺一不可。XRD显示NaTaO₃
   成功合成，吸收光谱表明立方相NTO/C带隙略宽于常规NTO。

2. 增效机制解析：电化学测试揭示Zn⁰
   与ZnGa₂
   O₄
   间存在电势差（原电池效应），而Mott-Schottky测试证实Z型异质结能带匹配。两者耦合使电子寿命延长3倍。

3. 普适性验证：该体系在Ga₂
   O₃
   、ZnGa₂
   O₄
   等多种光催化剂上均有效，且适用于电化学CO₂
   还原。微量NaGaO₂
   的添加可进一步提升CO产率。

【结论与展望】
研究首次揭示了双助催化剂中的原电池效应，并创新性地利用Zn²⁺
作为Z型系统的电子媒介。这种"双效应耦合"策略突破了传统光催化体系的效率限制，CO选择性达90%以上。特别值得注意的是，Zn/Ga体系采用廉价金属，相比贵金属助催化剂更具工业化潜力。未来通过调控ZnGa₂
O₄
结晶度、优化界面接触等方式，有望实现更高效的CO₂
资源化利用。该工作为发展"人工光合作用"技术提供了重要参考。