S型异质结光催化串联羰基化：一种绿色高效的CO2增值转化新策略

本研究针对传统CO2光还原系统存在的电荷分离效率低、产物附加值有限等关键问题，开发了CeO2/Bi2S3 S型异质结光催化剂与钯催化羰基化反应的串联体系。通过构建具有氧空位介导电荷动力学和宽光谱响应的分级结构，实现了CO2-to-CO的高效转化（14.05 mmol g-1，98%选择性），并进一步将原位生成的CO直接用于温和条件下的酰胺合成，CO利用率接近定量。该工作为CO2资源化利用提供了安全绿色的集成解决方案。

　　

随着工业化进程加速，大气中CO₂浓度持续攀升引发的环境问题日益严峻。传统碳捕集与封存技术虽能暂时缓解排放压力，但缺乏经济激励性。相比之下，将CO₂转化为高附加值化学品的策略更具吸引力，其中光催化技术因其温和的反应条件和太阳能驱动特性备受关注。然而，现有体系普遍面临两大瓶颈：一是光生载流子复合率高导致转化效率低下，二是产物多以低价值的CO或合成气为主，后续处理过程还存在CO毒性和易燃易爆等安全隐患。

中国地质大学（武汉）材料与化学学院的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过巧妙整合S型异质结光催化与过渡金属催化，构建了CO₂-to-chemicals的一体化转化平台。研究人员设计出具有分级结构的CeO₂/Bi₂S₃异质结，利用CeO₂的氧空位缺陷和Bi₂S₃的宽光谱吸收特性，结合S型电荷转移机制，实现了高效CO₂-to-CO转化；继而创新性地将光生CO直接导入钯催化体系，在常温常压下合成出医药中间体酰胺类化合物，形成了完整的碳循环价值链。

研究采用静电自组装法制备异质结材料，通过原位辐照XPS和飞秒瞬态吸收光谱解析电荷转移路径，结合同位素标记实验（¹³CO₂）验证碳源去向，并搭建双室在线反应系统实现光催化与羰基化的无缝衔接。

CO₂光还原性能与反应机制
CeO₂/Bi₂S₃异质结在8小时光照下实现14.05 mmol g^-1的CO产率，选择性达98%。DFT计算表明*COOH中间体形成为决速步，而CO脱附能垒较低解释了高选择性成因。

分级结构与电荷分离机制
静电势分析显示CeO₂(111)与Bi₂S₃(211)的功函数差形成内置电场，驱动S型电荷转移。飞秒光谱证实氧空位介导的电子陷阱-释放过程将载流子寿命延长至7000 ps。

串联羰基化设计理念
双室反应器实现CO原位转化，对位碘甲苯的酰胺化产率达0.81 mg L^-1，¹³C标记实验证实产物羰基碳100%源自CO₂。

该研究突破了传统光催化系统产物单一、附加值低的局限，通过"光催化-金属催化"的模块化设计，首次实现了CO₂向精细化学品的直接转化。S型异质结的精准构筑为高效电荷分离提供了新范式，而串联反应路线的创新则规避了CO高危中间体的储存运输问题，为发展安全、经济的碳循环技术开辟了新途径。特别值得注意的是，该体系在常温常压下的高效运行显著降低了能耗，其设计理念可拓展至其他高附加值含氧化合物的合成，对推动碳中和目标的实现具有重要实践意义。