光催化在CO₂还原方面的潜在应用而受到广泛关注。然而，光催化CO₂还原的实际应用受到效率低和稳定性差的制约。其主要归因于光催化剂的本征性质以及光吸收、载流子传输和传质之间复杂的相互作用。

光催化效率低的主要原因是全光谱阳光的光利用不足以及室温下气-液-固界面上的传质较差。研究人员发现，利用红外光可提高温度以降低反应能垒，从而实现高STF效率。为此，已探索了多种策略，例如设计带隙更窄的新型光催化剂材料以增强红外光吸收，以及在实验室条件下使用聚光阳光提高反应温度。但是在野外实验中，由于在聚光自然阳光下的失活，催化剂仅能高效运行半小时。

金属硫化物因其高效率和优异的光热响应在光热系统中被广泛用于CO₂还原。然而，光生空穴具有强氧化能力，由于其相对较高的价带位置，能够将S²⁻氧化为SO₄²⁻或其他氧化硫物种。该氧化反应会破坏金属硫化物的表面结构，导致材料逐渐降解。提高金属硫化物稳定性的研究包括修饰表面化学以防止中毒和设计稳健的异质结构。然而，这些方法并不总是有效，尤其是当光催化剂暴露于复杂反应环境时。实际上，效率和稳定性是相互依存的。高效率通常与较高的载流子通量相关，这可能会驱动硫化物骨架中硫的氧化或氧化物中金属阳离子的氧化，最终引发失活。开发一种协同方法，同时解决这两个挑战，并全面理解光催化的基本机制至关重要。

实验室主任郭烈锦院士团队刘亚副研究员带领设计了一种稳定高效的Z型异质结催化剂FeₓInᵧSz/TiO₂，在野外实验中实现了有序引导光热协同电子流用于CO₂还原。在自然阳光条件下的测试表明，FeₓInᵧSz/TiO₂具有4天的稳定性。其最大光热能量转换效率为1.16%，是在纯水条件下使用自然聚光阳光进行CO₂还原的最高记录。原位快速扫描XANES和XPS表明，升温和光照射协同地将电子从O拉伸至Fe，揭示了热调控优化活性位点以实现高效稳定光催化CO₂还原的机制。该工作开创了在户外阳光条件下稳定高效还原CO₂的先例，为该技术的户外应用提供了理论基础。

图1 光热催化CO₂还原性能

图2 FeₓInᵧSz/TiO₂的表征

图3 FeₓInᵧSz/TiO₂和In₂S₃/TiO₂中光激发电子的传输

图4 FeₓInᵧSz/TiO₂和In₂S₃/TiO₂在光和光热条件下的电子转移

图5 温度升高时FeₓInᵧSz/TiO₂上的光热反应机制

近日，研究成果以《Orderly Drawing Photo-Thermal Synergistic Electron Flow for Efficient CO2 Reduction under Natural Sunlight》为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）。西安交通大学绿色氢电全国重点实验室为第一单位和唯一通讯单位，刘亚副研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心（52488201）等项目支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202511097?af=R