我院汪思波课题组在电荷分离型光催化CO2还原催化剂的研究取得新进展

近期，我院汪思波课题组，在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Atomic-Scale Charge Channeling in Poly(triazine imide) with Cooperative Ti–Ru Sites for Efficient Visible-Light CO₂ Reduction”的研究论文。该研究展示了一种电荷分离型光催化CO₂还原催化剂，该催化剂由负载在聚三嗪酰亚胺上的Ti单原子与Ru物种组成（Ru/Ti-PTI），其中晶格取代的Ti单原子和表面Ru物种在聚三嗪酰亚胺中形成空间合作的氧化还原中心，这一原子级电荷通道加速电荷分离，实现高效的太阳能驱动二氧化碳转化。

利用水作为电子供体，将二氧化碳光催化转化为富含能量的碳基产物，是太阳能储存和碳循环利用的一条极具吸引力的路径。然而，这一过程的效率一直受制于几个因素：光催化剂对太阳光的捕获能力有限，CO₂分子本身化学惰性很强，而且光生电子和空穴极易复合，导致有效参与反应的载流子比例偏低。聚合物氮化碳材料因其能带结构可调、化学稳定性好、元素来源丰富等优点，受到了广泛关注。但传统氮化碳通常结晶度不高，π共轭程度不足，这会阻碍载流子的迁移和分离，从而限制了光催化性能。

相比之下，聚三嗪酰亚胺（PTI）具有高度结晶的骨架和更加扩展的π共轭网络，因而电荷传输能力更优，在CO₂光还原方面展现出较大潜力。不过，PTI仍然存在可见光吸收较弱、定向电荷转移调控不足的问题，这使其难以直接应用于同时需要CO₂还原和水氧化的全光催化体系。更关键的是，如何构建空间上分离但又协同配合的氧化和还原活性位点，让这两个半反应高效协同进行，仍然是一个重大挑战。

原子尺度的晶格工程为解决这些问题提供了新思路。普通的表面助催化剂修饰主要影响界面反应动力学，对体相电荷转移的调控有限；而表层晶格替换则能直接改变PTI的电子结构，并增强界面处载流子的提取效率。具体来说，用钛（Ti）物种替代PTI结构中的锂（Li⁺）位点，可以引入杂质能级，从而拓宽可见光吸收范围，同时增强与PTI骨架的电子耦合，促进电荷转移。同时，这些替代后的钛中心可以作为空穴提取位点，用于水氧化反应。将这些钛位点与具有电子接受能力的物种（如钌Ru）耦合，有望构建空间上协同的氧化还原中心——光生空穴迁移到钛位点，而电子则富集到钌位点用于CO₂还原。这种原子级电荷通道结构能够强制实现定向电荷分离，并加速两个半反应的耦合。

基于此，该研究开发了一种Ru/Ti-PTI光催化剂，实现了可见光驱动下CO₂与H₂O的高效反应。其中，钛单原子以替换Li⁺的方式嵌入PTI晶格，以调变电子结构并形成空穴富集中心，随后在表面沉积钌物种，作为电子受体和CO₂还原的催化位点。结合多种光谱表征和理论计算表明：取代的钛物种引入了杂质能级，促进了空穴的迁移，而钌物种则有效地捕获光生电子。钛和钌之间的协同相互作用构建了一条原子级电荷沟道，显著改善了空间电荷分离，并提升了界面氧化还原反应动力学，从而大大提高了光催化活性和稳定性。

Ru/Ti-PTI光催化CO₂还原水氧化的机制示意图

这一成果发表在Angewandte Chemie International Edition上，论文的第一作者为福州大学化学学院博士研究生徐新宇，汪思波教授为论文的通讯作者，为本研究提供了重要的指导。这项研究工作得到了国家自然科学基金等项目的大力支持。

论文信息：“Atomic-Scale Charge Channeling in Poly(triazine imide) with Cooperative Ti–Ru Sites for Efficient Visible-Light CO₂ Reduction”, Xinyu Xu, Mingyue Wang, Bo Su, Xiahui Lin, Hangyu Zhuzhang, Xue Feng Lu, Wandong Xing, Guigang Zhang, Masakazu Anpo, Sibo Wang*, Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e3504838. DOI: 10.1002/anie.3504838