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?【DFT+實驗】AFM：CuGaS2/Ga2S3助力光催化CO2還原為C2H4

將CO₂轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锶剂系娜斯す夂献饔檬强朔蜃兣湍茉次C(jī)的一種很有前途的策略。

基于此，天津大學(xué)于濤教授和中國礦業(yè)大學(xué)蔡曉燕博士等人報道了通過硫缺陷工程對Cu和Ga在超薄CuGaS₂/Ga₂S₃上的幾何位置進(jìn)行定向，其對乙烯（C₂H₄）的選擇性約為93.87%，產(chǎn)率約為335.67 μmol g^?1 h^?1。

通過DFT計算，作者系統(tǒng)地研究了超薄CGS/GS的光催化選擇性機(jī)理。CO₂和H₂O分子最初吸附在CGS-Vs表面，CO生成的限制步驟是CO₂加氫生成*COOH中間體，成為生成C₂H₄的中間體。

隨后，反應(yīng)中間體（*COOH）進(jìn)一步將質(zhì)子/電子對偶聯(lián)形成CO分子。吸附*CO可進(jìn)一步質(zhì)子化，依次形成一系列具有不飽和配位的關(guān)鍵反應(yīng)中間體。作者總結(jié)了C₂H₄自由能圖的演化過程，發(fā)現(xiàn)*CO到*CHO的形成被認(rèn)為是后續(xù)C-C耦合過程的一個潛在決定步驟。

作者評價了兩種不飽和反應(yīng)中間體（*CHO和*CHOH）不同的C-C偶聯(lián)能壘。*CHO*CO生成的自由能為0.12 eV，低于其他偶聯(lián)途徑（*CHOH*CO為0.17 eV），但*CHOHCO的偶聯(lián)能勢壘值低于*CHOCO的偶聯(lián)能勢壘值，因此*CHOHCO的偶聯(lián)加氫可以生成C₂H₄。

S空位誘導(dǎo)Cu-Ga離子d-帶中心上移，不僅增強(qiáng)了*CHOH*CO中間體的吸附能力，引發(fā)C-C耦合，而且積累電子驅(qū)動光催化CO₂還原的動力學(xué)過程。換言之，*CO與*CHOH偶聯(lián)生成*CHOHCO是形成C-C鍵最主要的熱力學(xué)途徑。

Regulating the Metallic Cu-Ga Bond by S Vacancy for Improved Photocatalytic CO₂ Reduction to C₂H₄. Adv. Funct. Mater., 2023.

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