光催化二氧化碳还原（PCCR）是一种利用太阳能将CO₂转化为高价值多碳产品的潜力技术，但是其目标产物的产率与选择性始终难以提升。

2025年10月23日，上海交通大学车顺爱（国家杰青）、方宇熙、上海科技大学马延航、中国科学院上海高等研究院邰仁忠（国家杰青）、华东师范大学陈缙泉、中国科学院合肥物质科学研究所田长麟（国家杰青）在国际知名期刊Nature Synthesis发表题为《A chiral mesostructured photocatalyst for efficient solar-driven CO₂reduction to ethanol》的研究论文，Yongping Cui、Yao Wang为论文共同第一作者，车顺爱、方宇熙、马延航、邰仁忠、陈缙泉、田长麟为论文共同通讯作者。

在本文中，作者报道了一种在不使用任何添加剂的条件下，通过手性介观结构铜掺杂In₂S₃光催化剂，在模拟太阳光驱动的PCCR反应中实现了 1.4 mmol g_cat^-1h^-1的乙醇产率与93.7%的选择性。

光催化剂中手性诱导的自旋极化效应促进了三重态OCCO中间体的形成与稳定；

随后，催化剂表面具有反应活性的铜-铟双位点可高效地将这些三重态OCCO中间体转化为化学吸附的OCCO与OCCOH中间体。

这一转化过程有效促进了C-C耦合，从而实现乙醇的高效生成并显著减少C₁副产物。

研究结果表明，通过将手性诱导的自旋极化与表面活性位点相结合，可以实现PCCR反应的高选择性与高生产率。

本研究同时凸显了增强C₂中间体对多碳产物PCCR的重要性，拓展了对光催化CO₂还原机理的认知。

图1 | CMCI光催化性能对比与反应机理。a. CMCI中通过自旋极化与铜-铟双位点协同作用实现PCCR合成乙醇的示意图。b. 不同光催化剂在无牺牲剂条件下CO₂还原制乙醇的产率与选择性指标对比。

图2 | CMCI的结构与形貌表征。a. 对映体CMCIs、RMCI及AMCI的粉末XRD图谱。b-c. l-CMCI的低倍(b)与高倍(c) SEM图像。d. l-CMCI的低倍TEM图像及相应选区电子衍射图。e. 纳米薄片的HRTEM图像及对应傅里叶变换衍射图（右侧1-3）。f. 对映体CMCIs、RMCI与AMCI的漫反射紫外-可见光谱与圆二色谱。g. l-CMCI、CuS、Cu₂S及铜箔的X射线吸收谱R空间图谱。h. 铜箔与l-CMCI的铜K边k²加权EXAFS信号的小波变换分析。

图3 | 样品的激发电荷分离特性与自旋极化分析。a. 紫外-可见漫反射光谱。b. 400 nm激发波长下的稳态光致发光光谱。c. 氙灯照射（间隔20秒）下光电流响应的时间依赖性。d. 通过mc-AFM测量获得的电流-电压曲线。e-f. 在360 nm探测波长下，采用线性偏振泵浦光和不同圆偏振探测光束测得的l-CMCI (e)和d-CMCI (f)圆偏振瞬态吸收光谱。

图4 | 对映体CMCIs、RMCI、AMCI及l-Cys-AMCI的PCCR性能。a-b. 5 atm CO₂压力下的产物生成量(a) 与对应选择性 (b)。c-d. 1 atm CO₂压力下的产物生成量(c) 与对应选择性 (d)。e. l-CMCI在1 atm CO₂条件下进行光催化¹³CO₂还原产物的气相色谱-质谱联用谱图。

图5 | CMCI上CO₂还原的机理研究。a-b. 光照条件下l-CMCI表面反应中间体的原位ATR-SEIRA光谱：(a) 1,000-1,700 cm^-1区间的中间体特征峰；(b) 1,700-2,300 cm^-1区间的*CO基团特征峰。c. In₂S₃(110)晶面与铜掺杂In₂S₃(110)晶面上CO₂还原制乙醇反应的吉布斯自由能图。

综上，本研究实现了太阳能驱动PCCR反应中乙醇的卓越产率（1.4 mmol·g_cat^-1·h^-1）与选择性（93.7%）。

在常压条件下，乙醇产率达792.1 μmol·g_cat^-1·h^-1，选择性达94.1%。

通过低温EPR及系列对照实验证实，自旋极化效应促进了³OCCO中间体的形成与稳定。铜-铟双位点则主导了化学吸附态OCCO与OCCOH中间体的生成。

本工作不仅为高效选择性多碳产物光催化CO₂还原提供了可行方案，更通过实验证实³OCCO与化学吸附态*OCCO均是CO₂还原生成多碳产物的关键中间体。

这种近乎无副产物的CO₂制乙醇新路径，为碳捕获与资源化利用开辟了全新方向。

A chiral mesostructured photocatalyst for efficient solar-driven CO₂reduction to ethanol. Nat. Synth., (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00908-2.