在这项工作中，设计并制造了氮化碳（O/La-CN）上的稀土La单原子，并惊奇地发现O / La-CN表现出高效的选择性光催化还原性能，并具有很好的CO生成率（92μmol·g–1·h–1）和对长期辐射的优异稳定性，这是CO2转化中最好的先进的基于gC3N4的光催化剂之一。结合密度泛函理论（DFT）的计算和实验（HAADF-STEM，EXAFS和STEM-EELS，可以确认稀土单La原子锚定在g-C3N4中间层形成一个单原子La–N电荷桥，它可以用作将电子转移到表面原子的定向通道。稀土单个La原子周围的区域作为主要活性中心可以同时实现CO2活化，快速形成COOH *和CO解吸。作为电子传输通道的稀土单原子La–N桥的形成与La单原子的4f和5d轨道中的电子态以及La–N原子的p–d轨道杂化密切相关。

要点1

O/La-CN光催化剂是通过的简便的一步煅烧方法制备的。与在13.1°和27.4°处具有典型衍射峰的纯CN相比，制备的样品（O/La-CN）具有明显的无定形特征。此外，在HRTEM图像中无法观察到晶格条纹，这也进一步表明了O/La-CN的非晶化。

要点2

结合密度泛函理论（DFT）的计算和实验（HAADF-STEM，EXAFS和STEM-EELS），可以确认La以单原子形式存在，并且La原子锚固在g-C3N4中中间层形成一个单原子La–N电荷桥，它可以用作将电子转移到表面原子的定向通道。并且同时实现CO2活化，快速形成COOH *和CO解吸。

要点3

已经设计了氮化碳上的稀土单原子La-N电荷桥，用于将光催化CO 2有效还原为CO太阳燃料。O / La-CN表现出高的选择性CO生成率（92μmol·g –1·h –1）和出色的稳定性，优于大多数报道的基于氮化碳的光催化剂。

要点4

这项研究可以提供一种设计用于太阳能燃料生产的稀土类单原子光催化剂的方法，以及对CO2还原反应的深刻理解。

图1.（a）催化剂合成过程示意图（b）XRD图，（c）C 1s和（d）N 1s的XPS光谱（e-f）TEM图像（g）较薄区域的HAADF-STEM图像（h）SAED图像（i）HAADF-STEM和EDS图像，C元素（黄色），N元素（蓝色）和La元素（绿色）（j–l）O/La-CN的HAADF-STEM图像。

图2.（a）O 1s的XPS光谱（b）La2O3和O/La-CN的EXAFS图谱（c）La2O3和O/La-CN的XANES光谱（d）O 1s XPS光谱（e）每个元素的状态总密度和总轨道分布（f）N 2s，N 2p，La 6s和La 5d的状态投影密度轨道分布（g）电子定位函数（h-i）微分电荷密度（蓝色区域表示电荷累积，黄色区域表示电荷损耗），计算出的原子Bader电荷（负值表示电荷损耗，正面是积累）：顶视图（h）和侧视图（i）C，N，O和La原子分别是灰色，蓝色，红色和绿色的球体。

图3.（a-b）O/La-CN催化剂的球差校正HAADF-STEM图像和来自原子位点的EELS光谱（c）比较两个选定区域的EELS光谱。

图4.（a）光催化还原CO 2的气体量（b）光还原速率（c）控制条件的多次实验（d）循环实验（e）稳定性实验（f）光催化还原CO2机理系统。

图5.（a）速率确定步骤（b）选择性确定步骤的光催化CO2还原反应的计算自由能。

总结

单原子催化剂O/La-CN表现出高的选择性CO生成率（92μmol·g–1·h–1）和出色的稳定性，优于大多数报道的基于氮化碳材料的光催化剂。实验和计算结果的结合表明，形成的用于电子转移至表面的La–N电荷桥可能是CO2的活性位点活化，快速形成COOH*和CO解吸。从La–N桥形成的这个电子传输通道的起源是由La单原子的4f和5d轨道以及La–N原子的p–d轨道杂化诱导的各种电子态。这项研究可以提供一种设计用于太阳能燃料生产的稀土类单原子光催化剂的方法，以及对CO2还原反应的深刻理解。

参考文献

P. Chen, B. Lei, X. Dong, H. Wang, J. Sheng, W. Cui, J. Li, Y. Sun, Z. Wang, F. Dong,

Rare-Earth Single-Atom La–N Charge-Transfer Bridge on Carbon Nitride for Highly Efficient and Selective Photocatalytic CO2 Reduction, ACS Nano. 2020, 11, 3.

DOI：10.1021/acsnano.0c07083