全球范围内应对气候变化以及削减温室气体排放的努力正不断加速，有力推动着可持续燃料生产相关研究的进程。人工光合作用作为一种极具前景的解决方案，其原理是模仿自然过程，将二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）转化为富含能量的化学物质。然而，要实现高效、具有选择性且可规模化扩展的二氧化碳转化，同时确保催化剂具备良好的耐用性，这依然是该领域所面临的重大挑战。
在此背景下，上海交通大学周宝文教授的研究团队成功开发出一种锌修饰氮化镓（Zn-GaN）纳米线催化剂。该催化剂能够在光照条件下，同时将CO2和H2O转化为甲烷（CH₄）以及过氧化氢（H₂O₂）。这一突破性的系统为达成碳中和燃料生产提供了强有力的支持，它通过光驱动的氧化还原反应，高效地将二氧化碳转化为具有价值的燃料和化学品。该研究展示了一种将可再生能源与工业规模化化学品生产相融合的可持续发展方法。该文近期已在Science Bulletin在线发表。- 首次成功制备的Zn-GaN 纳米线催化剂达成了 189 mmol g−1 h−1 的CH₄生成速率，而且其选择性高达93.6%，在光催化二氧化碳转化方面呈现出极为优异的表现。
- 该体系还能同时生成25 mmol g−1 h−1的过氧化氢（H₂O₂），这极大地提升了其在化学合成领域中的经济价值。
- 该催化剂在80小时的连续操作中表现出卓越的耐久性，性能稳定并且无显著衰退。
- 它实现了27,280 mol CH₄/mol Zn的高周转数（TON），展现出系统在长期使用中的高效和可靠性。
- 综合机制研究表明，Zn纳米团簇与GaN纳米线之间的协同作用增强了甲酸中间体（HCOO*）的生成，同时抑制了副反应的发生。该双重机制显著提升了CO₂还原过程的效率和选择性。
该研究表明，Zn-GaN纳米线催化剂可以有效利用太阳能驱动CO₂的还原反应。该系统无需使用牺牲剂或额外的能量输入，为实现碳中和燃料生产提供了一种切实可行的解决方案。该催化剂的独特优势在于同时生成甲烷（CH₄）和过氧化氢（H₂O₂），为燃料生产和化学品合成提供了双重益处。
甲烷生成速率为189 mmol g−1 h−1，高达93.6%的选择性表明，该催化剂具备替代基于化石燃料的工艺的潜力。同时，过氧化氢的生产展示了该系统在工业和环境应用中的经济可行性。此外，该催化剂在80小时的连续操作中保持了稳定性，结构无退化，证明其适合长期工业使用的潜力。这一稳定性反映在27,280 mol CH₄/mol Zn的高周转数上，表明该催化剂具有长期保持高性能的能力。该研究提出了一种将可再生能源与基于氢能的燃料系统相结合的有效策略，在温和条件下将CO₂和H₂O转化为甲烷和过氧化氢。Zn修饰的GaN催化剂为工业规模的碳利用开辟了新的途径，将化学品合成与碳中性燃料生产相结合，实现CO₂排放的增值利用。该研究的成功使我们向碳中和未来更近一步，为能源存储与可持续化学品生产提供了切实可行的解决方案。
Fig. 1. Structural, chemical, and
physical properties of GaN NWs decorated with/without Zn NPs. (a) Energy band structure of GaN NWs.
(b) A top-view SEM image of Zn NPs/GaN NWs/Si. (c) A 25°-tilted SEM image of Zn
NPs/GaN NWs/Si. The inset is the magnified image that shows the presence of Zn
NPs on the surface of GaN NWs. (d) A TEM image of Zn NPs/GaN NWs/Si. (e) An
HR-TEM image of lattice fringes of GaN with Zn NPs. (f) HAADF-STEM and
elemental mapping images of Zn NPs/GaN NWs/Si. High-resolution XPS spectra of
(g) Ga 2p, (h) N 1s, and (i) Zn 2p. (j) PL spectroscopy of Zn NPs/GaN NWs/Si.
(k) TRPL of GaN NWs/Si and Zn NPs/GaN NWs/Si.
Fig. 2.
Photocatalytic activity of Zn NPs/GaN NWs/Si. (a) Evolution rate of Si, GaN NWs/Si, and Zn NPs/GaN NWs/Si.
The inset is the sample solution having H2O2+ 0.6
mol L−1 H2SO4 + 100 μL 0.02 mol
L−1 of KMnO4 solution. (b) The yield of H2O2at different reaction times and inset is the titration color of the solution
after different reaction times. (c) Control experiments. (d) Influence of light
intensities on CH4 evolution rate and TOF. (e) Stability test up to
80 h. (f) Activity and TON of CH4 production from light-driven
CO2 reduction in water by using Zn NPs/GaN NWs/Si.
Fig. 3. Proposed
mechanism. The light-driven
CO2 reduction in water into CH4 and H2O2 over Zn/GaN NWs/Si.
