黄洪伟/陈芳/卢岳Nature子刊：铁电纳米片上构建一维单原子阵列，增强光催化CO2还原活性

CO₂光还原作为一种“人工光合作用”策略，是减少温室效应和解决能源危机的有效途径。催化位点的活性决定了催化剂对CO₂的吸附能力和活化能垒，这对光催化反应来说非常重要。单原子催化剂(SAC)具有原子分散的催化位点，以及可调节的表面局部电荷分布，因此具有孤立单原子位点的SACs (i-SAs)光催化领域引起了人们的广泛关注。然而，在复杂的反应中，i-SA位点通常不能与反应物发生多键吸附。

最近，发现具有相邻催化位点的SAC表现出双原子协同催化效应，这是i-SA位点所不具备的。由于相邻单原子的电子结构和几何结构与i-SA相似，它们在保持i-SA催化选择性的同时提供了更高的催化活性。虽然SACs在各种催化反应中表现出优异的催化活性，但即使在温和的反应条件下，相邻的SA也会形成纳米团簇或纳米颗粒，因此原子构型的调节仍然是一个挑战。

近日，中国地质大学(北京)黄洪伟、陈芳和北京工业大学卢岳等以Bi₄Ti₃O₁₂ (BTO)铁电单晶纳米片为基底，引入电晕极化处理，合成了周期性一维(1D) SA阵列。具体而言，电晕极化在打破表面屏蔽场的同时改变了畴的方向，使得极化良好的BTO (BTOP)中的畴具有有序的带电性质，通过静电吸附将Au SAs锚定在畴上，这在一维SA阵列的合成中起着至关重要的作用。通过理论和实验研究，研究人员揭示了这种SA构型在高效CO₂光还原中的关键作用和机理。

作为一个代表性的例子，一维Au SA阵列结构提供相邻的Au位点，通过双位点吸附增强CO₂吸附和活化，而不是吸附在Au i-SA单位点上。此外，锚定在BTO表面的一维Au SA阵列阻止了BTO去极化的逆转和抑制，从而产生了更强的PEF，使光生电荷以最小的损失从体相快速转移到表面催化位点。

因此，最优的BTOPAu光催化剂在4小时内的CO产量为34.1 μmol g⁻¹；经过12小时的光催化反应后，BTOPAu仍然保持较高的光催化活性，显示出优异的稳定性。此外，在液-固体系统中，BTOPAu也显示出最好的CO₂光还原为CO，4小时后CO产量达到57.77 μmol g⁻¹。

此外，通过电晕极化也能够在BTO纳米片上负载一维Pt、Ag、Fe、Co和Ni SA阵列，证明该方法是制备一维SA阵列的通用的策略，这使得合成和调控具有特殊构型的SCA成为可能。

One-dimensional single atom arrays on ferroelectric nanosheets for enhanced CO₂ photoreduction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-023-44493-4