张子重课题组在设计单原子桥催化剂破解异质结界面电荷传输难题取得重要进展

近日，我院张子重课题组在Advanced Functional Materials在线发表了题为“Accelerating Heterojunctions Interfacial Charge-Transfer via Single-Atom Bridges for Enhancing Photocatalytic CO₂-to-CH₄ Conversion”的原创性研究成果。本研究提出了一种在异质结界面处构建单原子电荷转移桥的独特策略，在原子尺度上为电子在界面间穿梭提供最短且最直接的通道。研究人员通过在聚多巴胺（PDA）与二氧化钛（TiO₂）异质结界面构建了具有[O-Pd-N]配位结构的钯单原子电荷转移桥（PDA/Pd_SA/TiO₂），实现了光生电子在原子尺度上的高效、定向传输，从而大幅提升了光催化CO₂还原制CH₄的活性与选择性。该工作强调了在异质结界面处精心设计的单原子电荷转移桥结构所起的关键作用，为开发高效CO₂甲烷化异质结光催化剂提供了有前景的平台。

随着全球对化石燃料的过度依赖，大气中二氧化碳（CO₂）浓度持续攀升，引发严重的环境和气候问题。光催化CO₂还原为高附加值燃料，尤其是甲烷（CH₄），被视为缓解能源危机和温室效应的理想途径之一。然而，传统光催化剂普遍存在光生载流子复合严重、界面电荷传输效率低等问题，导致光催化CO₂甲烷化产率低和选择性差，严重制约其实际应用。

异质结催化剂因其作为光催化二氧化碳还原有前景的平台而备受关注。异质结光催化剂中虽能够促进电荷分离，有效抑制电子-空穴复合，但其异质结界面处的能量势垒和缺陷会成为电荷复合的中心，导致界面电荷的分离和传输效率低下，限制整体催化效率。传统的金属纳米颗粒作为电荷传输桥梁虽有一定效果，但其传输路径复杂、原子利用率低、界面电阻大，难以实现高效、定向的电子迁移。

针对上述挑战，张子重教授团队提出了一种构建“单原子电荷转移桥”策略，通过在PDA修饰的TiO₂异质结界面构建O-Pd-N配位结构的钯单原子电荷转移桥，成功研制出PDA/Pd_SA/TiO₂复合光催化剂。该设计实现了以下突破：1. 最短路径电子传输：Pd单原子桥为电子转移提供最短、最直接的跨界面传输通道；2. 高效电荷转移通道：O-Pd-N结构作为一条高效的电荷转移通道，显著提高了界面电荷转移速率，并优化了电荷转移效率。3. 增强质子供给能力：PDA中丰富的亲水性基团促进了H₂O的吸附和解离，提高了*H的覆盖度，为CO₂深度氢化提供充足质子源。在纯水条件下，PDA/Pd_SA/TiO₂展现出卓越的光催化CO₂还原性能，其CH₄产率为37.28 μmol g^-1 h^-1，选择性达到98.13%。该研究不仅为解决异质结界面电荷传输瓶颈提供了新思路，也为发展高效、高选择性CO₂甲烷化催化剂开辟了新路径。

福州大学化学学院张子重教授为本文通讯作者，福州大学化学学院博士研究生赵志昂为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

论文信息：Zhi-Ang Zhao, Chenyi Zhang, Jinni Shen, Chunhui Gao, Qing Cai, Jianing Jiang, Chen Fu, Xiaochao Xu, Wenxin Dai, Zizhong Zhang，Accelerating Heterojunctions Interfacial Charge-Transfer via Single-Atom Bridges for Enhancing Photocatalytic CO₂-to-CH₄ Conversion，Adv. Funct. Mater., 2025, e22529，DOI：10.1002/adfm.202522529.