聚合物氮化碳(CN)是缓解能源危机和环境污染的最有前途的无金属光催化剂之一。负载助催化剂被认为是提高CNs光催化效率的有效途径。然而，常用的贵金属助催化剂由于稀有性和成本较高而限制了其应用。

近日，武汉理工大学余家国教授，曹少文研究员，国立台湾大学陈浩铭教授报道了设计并合成了铜原子分布均匀的单原子铜促光催化剂，这些铜原子完全配位在氮化碳骨架中，作为C-Cu-N₂单位活性中心。这些中心在光催化CO₂还原过程中表现出促进电荷转移和降低势垒的协同效应。

文章要点

1）通过HADDF-STEM、EXAFS、EELS和XPS等一系列实验表征分析，证实了铜原子的均匀分布以及铜原子与CN基体之间的强相互作用。

2）研究发现，该体系在超过+1.5V的氧化电位下稳定了Cu⁺/Cu⁰混合价态，这是一种类似血蓝蛋白的Cu-结构，因此该体系类似于人造酶。相应的反应是：该体系能有效地光还原CO₂，同时释放出双氧。整个反应级联的表观光效率为1.32%，是自然光合作用的两倍。

3）进一步的实验结果和密度泛函理论（DFT）研究表明，在平坦的纳米薄片表面，这些末端的C-Cu-N₂四中心态既是光生电子的有效收集器，同时也是活化CO₂分子的反应结合位点。因此，单原子铜修饰的氮化碳能够实现更有效和更有选择性的CO₂光还原。

这项工作不仅为设计具有广泛应用前景的无贵金属光催化剂提供了一种方案，而且也拓宽了单原子金属催化的领域。

A Single Cu-Center Containing Enzyme-Mimic Enabling Full Photosynthesis under CO₂ Reduction, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c02940

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02940