南湖新闻网讯（通讯员 邹思榕）近日，我校化学学院陈浩教授领衔的先进材料与绿色催化科研团队在Angewandte Chemie International Edition发表题为“High-Throughput Electron Transfer in Inorganic-Organic Interfacial Electric Field Enabling Selective CO₂ Photoreduction”研究论文。该论文详细阐明了通过无机-有机界面电场高通量电子转移以实现选择性CO₂光催化还原反应的相关机制。

长期以来，光催化CO₂还原的效率一直受到竞争性H₂析出反应的限制。为了抑制这种竞争反应，研究者通过调控金属配合物的d带中心、配位环境及疏水基团修饰来限制质子获取电子。然而，CO₂还原本质依赖质子耦合电子转移（PCET），此类修饰可能降低催化效率且适用性有限。分子催化剂的电子结构特性（如电子填充有限性）为解决该问题提供了新思路：在快速电子转移条件下，电子可跃迁至高能级轨道，使吸附的CO₂优先参与PCET反应，同时阻碍质子直接还原，实现这一机制需构建高效界面电子传输路径。尽管TiO₂、CdS等光捕获中心可通过氢键、π-π堆积等非共价作用传递电子，但如何设计高通量界面转移并明确其抑制H₂析出反应的机理仍是关键挑战。

鉴于此，研究论文聚焦于光收集中心与催化中心之间的界面电荷转移过程（图1）。针对钴(II)联吡啶等分子催化剂在光催化CO₂还原中易受竞争性析氢反应限制的问题，研究通过精准调控无机-有机界面电场，开发了一种高效选择性CO₂还原反应体系。研究通过在CdS纳米棒表面分别修饰-COOH与-NH₂官能团，构建了两种界面性质迥异的复合体系：CdS-NH₂因表面正电荷与Co(II)-bpy间形成排斥性电场，而CdS-COOH则凭借表面负电荷与Co(II)-bpy产生强电子相互作用。快速迁移的电子广泛集中在Co(II)-bpy的轨道上，从而通过有效缓解竞争性H₂析出反应显著改善了CO₂还原过程。该催化剂在可见光下实现了高达2.523 mmol g^-1 h^-1的CO生成速率和96.3%的CO还原选择性。该研究不仅提出了一种通过非共价相互作用构建高效电荷传输界面的方法，而且为设计能够克服析氢反应固有竞争性高性能CO₂还原系统提供了一种可推广的策略。

图1. 光捕获中心与催化中心之间的界面电荷转移

我校博士研究生邹思榕、黄桂梅和湖北师范大学刘野博士为论文共同第一作者，我校化学学院陈浩教授、丁星副教授和上海师范大学化学与材料科学学院蒋波教授、上海交通大学化学化工学院汪圣尧副教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、湖北省青年拔尖人才培育计划、武汉市曙光计划、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

【英文摘要】

The efficiency of photocatalytic CO₂ reduction has long been limited by the competing H₂ evolution reaction. In this study, we present an innovative strategy for boosting high-throughput electron transfer to suppress H₂ evolution, thereby enhancing CO₂ reduction. By employing CdS and cobalt bipyridine as a model, we engineered the surface of CdS to create an electric field at the inorganic–organic interface. Through in situ and transient spectroscopy techniques, we discovered that CdS functionalized with -COOH groups demonstrates remarkable noncovalent interactions and improved charge transfer capabilities compared to those functionalized with -NH₂ groups. The fast delivery of electrons on cobalt bipyridine facilitates the adsorbed CO₂ to participate in the proton-electron coupling reaction, rather than allowing adsorbed protons to accept electrons directly. Consequently, the established CdS-COOH/Co(II)-bpy system achieved a CO₂ production rate of 2.523 mmol g⁻¹ h⁻¹ with a selectivity of 96.3%. This research presents an approach for creating efficient charge transport interfaces and provides a comprehensive strategy for designing high-performance photocatalytic CO₂ reduction systems that effectively counteract the challenges posed by competing H₂ evolution reactions.

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202516801

审核人：陈浩