太阳能驱动光催化CO₂还原制备高附加值燃料，是实现碳中和、缓解能源危机与环境问题的重要途径，因其绿色、可持续、反应条件温和等优势，成为能源与环境催化领域的研究热点。
然而，当前光催化体系普遍存在太阳光谱利用范围窄、低能光子难以有效转化、光生载流子复合严重、CO₂活化与加氢能垒高等关键科学问题，严重制约了太阳能–化学能转化效率的进一步提升。
传统光催化材料大多仅能利用紫外或可见光区的高能光子，对占太阳光谱近一半的近红外低能光子利用率极低，造成大量太阳能以热能形式耗散，无法转化为化学反应所需的能量。
同时，单一光化学驱动的反应体系难以有效克服CO₂活化能垒，导致产物选择性差、反应速率低。如何实现全光谱太阳能高效捕获与多级能量转化，并将光能与热能协同用于CO₂还原，成为突破现有催化体系瓶颈的核心挑战。
为解决上述问题，实验室主任郭烈锦院士团队创新性构建了具有核壳纳米温室结构的Bi@Fe₂O₃复合材料，实现全光谱驱动的高效光催化CO₂还原。主要包括材料结构设计、光热–光化学协同机制探究以及催化性能评价三部分。首先，以Bi纳米颗粒为核，利用其局域表面等离子体共振效应，高效捕获低能近红外光子，并通过非辐射弛豫产生局域纳米加热效应，同时生成高能热电子；其次，在外部构筑富含氧空位的疏松Fe₂O₃壳层，作为高能光子吸收单元与催化反应位点，为CO₂吸附、活化与加氢提供充足活性位点。在光照下，Bi核产生的热电子注入Fe₂O₃壳层，与光生电子共同参与还原反应；同时，纳米限域效应使光热集中在催化界面，显著降低CO₂活化与深度加氢的能垒。通过光化学与光热的协同作用，体系在无外加热源、无牺牲剂的温和条件下，实现了超高CH₄选择性与优异的催化活性。
该研究为基于全光谱利用的太阳能向燃料转化提供了一种有效策略，并为未来的人工光合作用系统提供了设计思路。
图1 该工作与以往工作的对比。将间歇性阳光和余热集成用于按需CO₂与水转化的概念示意图。
图2 形貌与结构表征。a Bi@Fe₂O₃核壳纳米球的示意图。b Bi@Fe₂O₃异质结的示意图。Wₘ和Wₛ分别代表Bi NC和Fe₂O₃的功函数。EF,m和EF,s分别代表Bi NC和Fe₂O₃的费米能级；ECBM是导带底；EVBM是价带顶；Evac是真空能级；E代表内建电场。c 5-Bi@Fe₂O₃催化剂的XRD图谱。d 5-Bi@Fe₂O₃催化剂的TEM图像。e 5-Bi@Fe₂O₃催化剂的HRTEM图像和SAED图。f 5-Bi@Fe₂O₃催化剂的HAADF-STEM图像及相应的EDS元素分布图。g, h 5-Bi@Fe₂O₃催化剂的归一化Bi L₃边X射线吸收近边结构谱（XANES）（g）和k²加权傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）的r空间图（h）。i Bi箔和5-Bi@Fe₂O₃催化剂的k²加权EXAFS谱的小波变换图。
图3 5-Bi@Fe₂O₃的全光谱光捕获与纳米尺度热局域行为。a Bi NCs、Fe₂O₃、Bi-Fe₂O₃和5-Bi@Fe₂O₃催化剂的UV-vis-NIR DRS光谱。b 催化剂稳态表面温度对光强的依赖性。误差线代表对同一催化剂进行五次独立测量的标准偏差。c 在455 mW cm⁻²光密度下，使用全弧300 W氙灯连续光照，监测不同Fe₂O₃基催化剂的温度。误差线代表对同一催化剂进行三次独立测量的标准偏差。d 5-Bi@Fe₂O₃催化剂在455 mW cm⁻²光密度下，分别于紫外-可见光、近红外光、可见-近红外光和紫外-可见-近红外光照射下的红外热成像图。e Bi-Fe₂O₃催化剂的热耗散示意图与Bi@Fe₂O₃催化剂的纳米尺度温室效应示意图。f 在2.5 mW μm⁻²入射功率密度下，不同激发波长激发时，Bi@Fe₂O₃上的电场分布和温度升高的空间分布。比例尺，50 nm。
图4 光/光热协同催化PCO₂R。a 在455 mW cm⁻²条件下，不同催化剂的PCO₂R性能。b Bi-Fe₂O₃催化剂上PCO₂R性能对光强的依赖性。c 5-Bi@Fe₂O₃催化剂上PCO₂R性能对光强的依赖性。d 在455 mW cm⁻²条件下，无外部加热时5-Bi@Fe₂O₃催化剂的长期稳定性测试。e 本工作与以往工作中直接将CO₂、H₂O和阳光转化为化合物的PCO₂R性能对比。f 在455 mW cm⁻²条件下，5-Bi@Fe₂O₃催化剂在不同条件下的平均CH₄产率。g 在455 mW cm⁻²条件下，5-Bi@Fe₂O₃催化剂在采用不同滤光片的全弧300 W氙灯照射下，CH₄产率随时间的变化。h 在不同强度和520 nm光照射下，5-Bi@Fe₂O₃催化剂在不同温度下的CH₄产率。
图5 载流子动力学。(a) 纯Fe₂O₃在560 nm泵浦下的二维伪彩色图，(b) 5-Bi@Fe₂O₃催化剂在560 nm泵浦下的测量结果，以及(c) 在870 nm泵浦下的测量结果。5-Bi@Fe₂O₃催化剂在(d) 暗态、(e) 紫外-可见光照射下和(f) 紫外-可见-近红外光照射下的KPFM图像。(g) 对应的5-Bi@Fe₂O₃催化剂表面电位分析。5-Bi@Fe₂O₃催化剂在PCO₂R中于(h) 紫外-可见光激发和(i) 紫外-可见-近红外光激发条件下的电荷转移过程示意图。kET表示热电子从Bi核注入并转移到界面积累层的速率常数；kHT1表示Bi核与Fe₂O₃壳层之间空穴捕获过程的空穴转移速率；kHT2表示来自Fe₂O₃的相应空穴主要用于水氧化的速率常数；k(e-h)1和k(e-h)2分别对应Bi核和Fe₂O₃壳层中的电子-空穴复合速率常数；kCO2R表示CO₂还原反应速率常数。
图6 光活性增强的机理分析。a 不同催化剂的CO₂-TPD曲线。b 不同催化剂的CO-TPD曲线。c 在全光谱光照射下，5-Bi@Fe₂O₃中Fe 2p信号的原位XPS分析。d Bi-Fe₂O₃催化剂的原位DRIFTS谱图。e 5-Bi@Fe₂O₃催化剂的原位DRIFTS谱图。f 在原始Fe₂O₃表面和Bi/Fe₂O₃界面模型上，均吸附有CO₂和显式H₂O溶剂层时，PCO₂R的吉布斯自由能图。（蓝色：Bi；橙色：Fe；红色：O；白色：H；灰色：C）。g 基于全太阳光谱级联利用的光化学与光热效应协同驱动的PCO₂R机理。
近日，研究成果以《Nanoscale greenhouse effect for promoting solar-driven CO2 reduction with water to CH4》为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。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，康晓峰、蒋铭宇、吕佳嵘为论文共同第一作者，郭烈锦院士和刘亚副研究员为共同通讯作者。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）支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70960-9
