CO₂光還原作為一種“人工光合作用”策略，是減少溫室效應(yīng)和解決能源危機(jī)的有效途徑。催化位點(diǎn)的活性決定了催化劑對(duì)CO₂的吸附能力和活化能壘，這對(duì)光催化反應(yīng)來(lái)說(shuō)非常重要。單原子催化劑(SAC)具有原子分散的催化位點(diǎn)，以及可調(diào)節(jié)的表面局部電荷分布，因此具有孤立單原子位點(diǎn)的SACs (i-SAs)光催化領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，在復(fù)雜的反應(yīng)中，i-SA位點(diǎn)通常不能與反應(yīng)物發(fā)生多鍵吸附。

最近，發(fā)現(xiàn)具有相鄰催化位點(diǎn)的SAC表現(xiàn)出雙原子協(xié)同催化效應(yīng)，這是i-SA位點(diǎn)所不具備的。由于相鄰單原子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)與i-SA相似，它們?cè)诒３謎-SA催化選擇性的同時(shí)提供了更高的催化活性。雖然SACs在各種催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，但即使在溫和的反應(yīng)條件下，相鄰的SA也會(huì)形成納米團(tuán)簇或納米顆粒，因此原子構(gòu)型的調(diào)節(jié)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)黃洪偉、陳芳和北京工業(yè)大學(xué)盧岳等以Bi₄Ti₃O₁₂ (BTO)鐵電單晶納米片為基底，引入電暈極化處理，合成了周期性一維(1D) SA陣列。具體而言，電暈極化在打破表面屏蔽場(chǎng)的同時(shí)改變了疇的方向，使得極化良好的BTO (BTOP)中的疇具有有序的帶電性質(zhì)，通過(guò)靜電吸附將Au SAs錨定在疇上，這在一維SA陣列的合成中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究人員揭示了這種SA構(gòu)型在高效CO₂光還原中的關(guān)鍵作用和機(jī)理。

作為一個(gè)代表性的例子，一維Au SA陣列結(jié)構(gòu)提供相鄰的Au位點(diǎn)，通過(guò)雙位點(diǎn)吸附增強(qiáng)CO₂吸附和活化，而不是吸附在Au i-SA單位點(diǎn)上。此外，錨定在BTO表面的一維Au SA陣列阻止了BTO去極化的逆轉(zhuǎn)和抑制，從而產(chǎn)生了更強(qiáng)的PEF，使光生電荷以最小的損失從體相快速轉(zhuǎn)移到表面催化位點(diǎn)。

因此，最優(yōu)的BTOPAu光催化劑在4小時(shí)內(nèi)的CO產(chǎn)量為34.1 μmol g^?1；經(jīng)過(guò)12小時(shí)的光催化反應(yīng)后，BTOPAu仍然保持較高的光催化活性，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外，在液-固體系統(tǒng)中，BTOPAu也顯示出最好的CO₂光還原為CO，4小時(shí)后CO產(chǎn)量達(dá)到57.77 μmol g^?1。

此外，通過(guò)電暈極化也能夠在BTO納米片上負(fù)載一維Pt、Ag、Fe、Co和Ni SA陣列，證明該方法是制備一維SA陣列的通用的策略，這使得合成和調(diào)控具有特殊構(gòu)型的SCA成為可能。

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