Angew. Chem. ：K/Rb共修饰聚合型氮化碳光催化CO2还原协同乙醇氧化制乙醛

基于太阳能的人工光合作用可以将CO₂光催化转化为含碳有机物，实现碳捕获与太阳能储存，有望减轻温室效应并实现可再生碳循环。然而，在这种人工光合作用中，4电子的H₂O氧化(OER)其反应动力学缓慢，需要较大的过电位，同时H₂O和O₂均可接受激发电子，导致竞争副反应H₂和活性氧自由基的产生，影响催化选择性和活性。为了降低氧化电势，有必要采用一种热力学上更有利的氧化半反应来代替OER。目前，研究者常使用如三乙醇胺、1-苄基-1,4-二氢烟酰胺等空穴捕获剂来加速氧化半反应，但这是以消耗牺牲剂和浪费光生空穴的氧化能力为代价实现的。通过耦合CO₂还原与热/动力学上更有利的有机合成是最近一种非常有潜力的解决方案，其不仅可以同时利用光生电子和空穴，还可获得具有较高附加值的氧化半反应，但目前所获得的氧化产物一般与还原产物不同，这导致最终产品的复杂性，增加了产物分离和纯化的难度。因此，在单个光催化系统中，同时从CO₂还原反应和有机氧化反应中获得相同的目标产物是更具价值的，但目前还尚未在光催化还原CO₂反应体系中实现。广东省科学院测试分析研究所（中国广州分析测试中心）光电团队前期已开发出光催化还原CO₂到乙醛的催化剂。考虑到乙醇制乙醛是可行的氧化反应，汪福宪研究员和刘琼博士进一步设计了一种K/Rb共修饰的聚合型氮化碳(CN-KRb)的新型光催化剂，首次实现了高选择性光催化CO₂还原协同乙醇氧化制同一种产物（乙醛）。该策略能同时有效利用光生电子和空穴，获得理想的原子经济性，为CO₂还原协同选择性氧化制备相同产物提供了新思路。

本文制备了一种K/Rb共修饰的氮化碳(CN-KRb)光催化剂，其具有优异的光催化性能，在CO₂还原耦合乙醇氧化的催化体系中，制备乙醛的产率达1212.3 μmolh^-1g^-1，分别是CN, CN-K以及CN-Rb的121.2, 4.7以及2.9倍，同时具有93.3%的乙醛选择性和7.5%的量子效率（420 nm）。研究揭示，K能促进CN-KRb对乙醇的吸附与活化，而Rb能促进CO2还原并增强产物乙醛的脱附。

同位素实验和对照试验表明所获得的产物乙醛既来自于CO₂还原，也来自于乙醇的选择性氧化。通过程序升温脱附技术、原位红外光谱、理论计算等技术，进一步分析K和Rb的作用，发现K能促进CN-KRb对乙醇的吸附和活化，而Rb能强化CN-KRb在CO₂还原制乙醛过程中的C-C 偶联形成*OHCCHO以及多步质子耦合电子转移过程。而且研究发现乙醛产物中的氢质子不仅来源于H₂O，同时也来源于乙醇，展现出了一种近乎理想的原子利用率，最终在K和Rb的共同作用下，实现高效CO₂还原和乙醇氧化制乙醛产物。该研究结果揭示了一种能实现高选择性光合成液态多碳产物的技术路径，即同时使用光生电子进行CO₂还原和光生空穴进行氧化反应获得同一产物的催化新体系。

论文信息

Simultaneous co-Photocatalytic CO₂ Reduction and Ethanol Oxidation towards Synergistic Acetaldehyde SynthesisQiong Liu, Jingjun Lin, Hui Cheng, Liling Wei, Fuxian Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218720