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

將CO₂轉化為碳氫化合物燃料的人工光合作用是克服全球變暖和能源危機的一種很有前途的策略。

基于此，天津大學于濤教授和中國礦業(yè)大學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上的幾何位置進行定向，其對乙烯（C₂H₄）的選擇性約為93.87%，產率約為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，反應中間體（*COOH）進一步將質子/電子對偶聯(lián)形成CO分子。吸附*CO可進一步質子化，依次形成一系列具有不飽和配位的關鍵反應中間體。作者總結了C₂H₄自由能圖的演化過程，發(fā)現*CO到*CHO的形成被認為是后續(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Cu-Ga離子d-帶中心上移，不僅增強了*CHOH*CO中間體的吸附能力，引發(fā)C-C耦合，而且積累電子驅動光催化CO₂還原的動力學過程。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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