image: 一种分子分区光催化剂在碳纳米管外部含有铁卟啉，在通道内部含有 Ni多酸，从而实现了矢量电子转移。光激发电子单向穿过 CNT 到 Ni多酸，有效地推动 CO2 到 CO 的转化，选择性达到 100%。这种仿生物结构模拟了自然光合作用，加强了电荷分离，在光照下实现了卓越的光催化二氧化碳还原性能。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
兰州大学丁勇教授团队开发出一种新型仿生光催化剂，能够模仿自然光合作用中分区结构的特征，以高效选择性地将二氧化碳（CO2）还原为一氧化碳（CO）。
在该研究中，丁勇教授团队构筑了一种分层有序的“内外分区”碳纳米管体系：镍取代多金属氧酸盐（NiPOM）簇被限域在碳纳米管（CNTs）内部通道中，而卟啉铁（FeTCPPOMe）分子则锚定在碳纳米管的外壁。这样的空间结构类似于光合膜系统中光吸收与催化中心的分区布局，实现了功能位点的分离与电子的高效耦合。
在模拟太阳光照射下，该 FeTCPPOMe–NiPOM@CNT 催化剂的 CO 生成速率达到 42.7 μmol g⁻¹ h⁻¹，选择性为 100%，远超传统光催化体系。该系统通过导电碳纳米管的“电子通道”，将卟啉单元产生的光生电子沿单向路径传递至内限域的 NiPOM 催化中心，实现了高效的 CO2还原。
丁勇教授指出，这种精心设计的结构形成了定向电荷迁移通道（vectorial electron transfer pathway），有效抑制了电子-空穴复合并最大化了太阳能利用效率。包括原位漫反射红外光谱（DRIFTS）、开尔文探针力显微（KPFM）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种原位与准原位表征结果均证实了光生载流子的定向迁移过程。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了电子从 FeTCPPOMe 经碳纳米管骨架持续流向 NiPOM 的路径，与实验结果高度一致。
丁勇教授强调，该研究在分子层面上展示了如何利用分层有序结构实现高效人工光合作用。研究表明，将多金属氧酸盐簇、卟啉光敏基元与导电碳骨架相结合，可显著提升光催化性能，为二氧化碳资源化利用和可持续能源转化提供了新的设计思路。
作者及机构简介
丁勇教授，兰州大学化学化工学院博士生导师、飞天学者特聘教授，现任兰州大学化学化工学院物理化学研究所所长。其研究方向集中在能源与催化领域，特别是基于多金属氧酸盐的光催化与光电催化体系。