催化学报 ›› 2025, Vol. 75: 180-191.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64751-6

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硫电子桥介导CuInS2/CuS异质结构实现高选择性CO2光还原为C2H4

陈鸿境a, 李月英c, 陈敏a,*(), 解仲凯b,*(), 施伟东a,b,*()   

  1. a江苏大学化学化工学院, 江苏镇江 212013
    b江苏科技大学环境与化学工程学院, 江苏镇江 212003
    c江苏大学医学院, 江苏镇江 212003
  • 收稿日期:2025-03-12 接受日期:2025-05-07 出版日期:2025-08-18 发布日期:2025-07-22
  • 通讯作者: *电子信箱: swd1978@ujs.edu.cn (施伟东), chenmin3226@sina.com (陈敏), xzk0702@sina.com (解仲凯).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22225808);国家自然科学基金(22075111);中德合作小组项目(GZ1579);江苏省创新支持计划国际科技合作项目(BZ2022045);江苏大学应急管理学院专项科研项目(KY-A-02)

Sulfur electron bridge mediating CuInS2/CuS heterostructure for highly selective CO2 photoreduction to C2H4

Chen Hongjinga, Li Yueyingc, Chen Mina,*(), Xie Zhongkaib,*(), Shi Weidonga,b,*()   

  1. aSchool of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China
    bCollege of Environmental and Chemical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China
    cSchool of Medicine, Jiangsu University, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China
  • Received:2025-03-12 Accepted:2025-05-07 Online:2025-08-18 Published:2025-07-22
  • Contact: *E-mail: swd1978@ujs.edu.cn (W. Shi), chenmin3226@sina.com (M. Chen), xzk0702@sina.com (Z. Xie).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22225808);National Natural Science Foundation of China(22075111);Sino-German Cooperation Group Project(GZ1579);Jiangsu Province Innovation Support Program International Science and Technology Cooperation Project(BZ2022045);Special Scientific Research Project of School of Emergency Management, Jiangsu university(KY-A-02)

摘要:

光催化还原CO2为高附加值的C2H4是实现碳中和的一条重要途径. 然而, 由于CO2的热力学稳定性和动力学惰性, 传统催化方法难以实现高效、高选择性的CO2转化,尤其是在多电子还原生成C2H4的过程中, 面临C-C偶联能垒高、电子供给不足和副反应竞争等问题. 近年来, 光催化技术因反应条件温和、环境友好及可利用太阳能等优势, 为高效CO2转化提供了新机遇. 构建异质结光催化剂可优化光生载流子分离和界面电荷转移, 为提升CO2还原性能提供了有效策略. 本研究旨在设计一种基于CuInS2/CuS的S型异质结光催化剂, 利用硫电子桥的界面调控作用, 实现CO2向C2H4的高选择性转化, 为碳资源高值化利用和绿色化学发展提供新途径.

本文采用一步溶剂热法合成了具有纳米花状形貌的CuInS2/CuS异质结光催化剂. 该异质结的形成过程始于CuS核的结晶, 随后In3+与CuS表面发生界面反应, 实现CuInS2的外延生长, 界面处的硫原子形成化学键桥连两相, 确保了强界面结合. 扫描电镜、高分辨透射电镜以及能谱元素映射确认了CuInS2/CuS的成功合成及In、Cu、S元素在异质结中均匀分布, 表明界面紧密结合. X射线衍射验证了两种晶相共存, X射线光电子能谱(XPS)显示In 3d峰向高结合能方向移动, 表明电子从CuInS2向CuS的转移及强烈的界面电子相互作用, 进一步证实了异质结的成功构建. 紫外-可见漫反射光谱和Mott-Schottky测试表明, CuInS2/CuS形成了S型能带结构, 其中CuInS2和CuS的带隙分别为1.67和1.41 eV, 适合可见光驱动的光催化过程. 原位XPS表征进一步证实了CuInS2/CuS符合S型的电荷转移路径. 在可见光照射下, CuInS2/CuS表现出优异的CO2还原性能, C2H4的生成速率达到5.62 µmol·g-1·h-1, 其电子选择性高达98.22%, 且在15 h的连续反应中保持稳定. 13CO2同位素标记实验证实了C2H4产物源自CO2. 电化学阻抗谱、瞬态光电流响应、稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱测试表明, 异质结的构建有效提高了光生载流子的分离效率, 凸显了S型异质结和硫电子桥在促进光生载流子分离和传输方面的关键作用. 原位红外光谱和密度泛函理论计算揭示了CO2还原为C2H4的反应机理: CO2首先被还原为COOH, 随后转化为CO中间体, 再经过*COCO和*COCOH等关键中间体, 最终生成C2H4. 计算结果表明, CuInS2/CuS显著降低了C-C偶联关键步骤(CO到COCO)的能垒. 硫电子桥的存在不仅物理连接了CuInS2和CuS, 更调控了电子相互作用, 创造了有利于CO2向C2H4转化的局部电子环境, 这种独特的界面工程策略为设计高效的光催化剂提供了新思路.

综上, 本研究通过一步溶剂热法合成了CuInS2/CuS S型异质结光催化剂, 通过构建高效电荷转移通道和双金属活性位点, 协同优化载流子动力学与反应热力学, 实现了CO2高选择性光催化还原为C2H4, 为设计高选择性CO2-C2H4的催化剂提供了创新策略.

关键词: 光催化二氧化碳还原, 乙烯产物, 硫电子桥, 高效载流子分离, 高选择性

Abstract:

Photocatalytic reduction of CO2 into high-value C2H4 offers a promising pathway toward carbon neutrality. Due to the continuous 12-electron-proton coupled reactions and the mutual repulsion of reaction intermediates, achieving highly selective photocatalytic conversion of CO2 to C2H4 remains challenging. This work synthesized a CuInS2/CuS heterojunction photocatalyst mediated by a sulfur electron bridge via a one-step solvothermal method, achieving a high selectivity for C2H4 conversion (98.22%). The sulfur electron bridge minimized the contact energy barrier between CuInS2 and CuS to enhance photogenerated carrier separation efficiency, while the asymmetric active sites in CuInS2 effectively reduced mutual repulsion of reaction intermediates. This work develops a hybrid catalytic system enabling synergistic regulation of reaction kinetics and thermodynamics, offering an innovative strategy for highly selective photocatalytic CO₂-to-C2H4 production.

Key words: Photocatalytic CO2 reduction, C2H4 production, Sulfur electron bridge, Efficient charge separation, High selectivity