催化学报

催化学报 ›› 2027, Vol. 92: 237-247.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65262-X

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等离激元热点介导的C-C偶联驱动CO2向C2H6的高选择性光还原

刘小磊a,1, 梁尹蓝a,1, 李金雨a, 李慧亮b,*, 郑昭科c, 王泽岩c, 罗建民d, 李娟a, 蒋保江e,*, 李宝军a,*, 娄在祝a,*   

  1. a暨南大学物理与光电工程学院, 广东省纳米光学操控重点实验室, 广东广州 511443;
    b河北农业大学理学院, 化学系, 河北保定 071001;
    c山东大学晶体材料全国重点实验室, 山东济南 250100;
    d韶关学院化学与土木工程学院, 广东韶关 512005;
    e广东工业大学材料与能源学院, 广东广州 510006
  • 收稿日期:2026-03-24 接受日期:2026-05-08 出版日期:2027-01-18 发布日期:2026-10-30
  • 通讯作者: *电子信箱: lxlhl@hebau.edu.cn (李慧亮), jbj@gdut.edu.cn (蒋保江), baojunli@jnu.edu.cn (李宝军), zzlou@jnu.edu.cn (娄在祝).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U23A20136, 22672081, 22175076); 广州市科技计划项目(2025A04J0232); 中央高校基本科研业务费.

Plasmonic hotspots-mediated C–C coupling drives selective CO2-to-C2H6 photoreduction

Xiaolei Liua,1, Yinlan Lianga,1, Jinyu Lia, Huiliang Lib,*, Zhaoke Zhengc, Zeyan Wangc, Jianmin Luod, Juan Lia, Baojiang Jiange,*, Baojun Lia,*, Zaizhu Loua,*   

  1. aGuangdong Provincial Key Laboratory of Nanophotonic Manipulation, Institute of Nanophotonics, College of Physics & Optoelectronic Engineering, Jinan University, Guangzhou 511443, Guangdong, China;
    bDepartment of Chemistry, College of Science, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, Hebei, China;
    cState Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, Jinan 250100, Shandong, China;
    dSchool of Chemistry and Civil Engineering, Shaoguan University, Shaoguan 512005, Guangdong, China;
    eSchool of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China
  • Received:2026-03-24 Accepted:2026-05-08 Online:2027-01-18 Published:2026-10-30
  • Contact: *E-mail: lxlhl@hebau.edu.cn (H. Li), jbj@gdut.edu.cn (B. Jiang), baojunli@jnu.edu.cn (B. Li), zzlou@jnu.edu.cn (Z. Lou).
  • About author:1 Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China (U23A20136, 22672081, 22175076), the Science and Technology Program of Guangzhou (2025A04J0232), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.

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摘要： 光催化CO2还原技术能够利用太阳能将CO2和H2O转化为高附加值化学品, 是实现碳循环闭合和可持续发展的重要途径. 然而, 光催化CO2还原到高值多碳(C2₊)产物仍面临巨大挑战, 其核心瓶颈在于C–C偶联动力学缓慢、光生载流子密度低以及关键C1中间体的吸附与转化效率不足. 等离激元材料凭借其表面等离激元共振效应(SPR), 可将入射光能量局域在纳米尺度, 显著增强局域电磁场并产生高能热载流子, 为突破上述瓶颈提供了新机遇. 然而, 传统等离激元材料仍存在热载流子密度低、表面活性位点匮乏等问题, 严重制约了C2₊产物的生成. 因此, 亟需开发高性能等离激元光催化剂以实现高效高选择性的C2₊产物生成.
针对上述挑战, 本文设计并构建了一种由Au纳米粒子与Ni单原子掺杂W18O49纳米线组成的双等离激元异质结构, 旨在通过等离激元热点效应与双活性位点协同作用, 实现CO2和H2O向乙烷(C2H6)的高效高选择性光还原. X射线吸收光谱和透射电镜表明, Ni以单原子形式均匀掺杂于W18O49晶格中, 且Au纳米粒子紧密锚定于Ni-W18O49纳米线表面, 形成紧密接触的异质界面. 时域有限差分模拟结果显示, Au/Ni-W18O49界面处产生的等离激元热点能够显著增强局域电磁场, 大幅促进热载流子的产生与富集. 原位X射线光电子能谱和原位漫反射光谱证实, Ni0.32-W18O49带间激发产生的光生电子可增强其自由电子密度和SPR响应, 且部分热电子会进一步由Ni0.32-W18O49向Au纳米颗粒迁移. 在反应机理方面, 原位红外光谱和密度泛函理论计算结果表明, Ni掺杂位点促进CO2还原生成*CHO中间体, 而相邻的Au位点则有利于*CO物种的生成与稳定, 增加了C1中间体在催化剂表面的覆盖度; 等离激元热点增强了Ni与Au双活性位点之间的协同作用, 通过在Au位点优先形成关键的*COCHO中间体驱动高效的C–C偶联, 最终实现C2H6的高选择性生成. 光催化CO2还原性能测试结果显示, 最优的Au1.2/Ni0.32-W18O49催化剂在模拟太阳光(AM 1.5G, 300 mW cm–2)照射下, C2H6产率达到25.41 μmol g–1 h–1, 选择性高达72.13%, 而纯Ni0.32-W18O49无法生成C2H6. 此外, 不同波长光照实验与表观量子效率结果表明, 全光谱激发同时激活Au的SPR和Ni-W18O49的带隙跃迁是实现高效C2H6生成的必要条件, 且Au的SPR效应在促进C2H6生成中发挥了决定性作用.
综上, 本工作通过将等离激元热点工程与原子级活性位点设计相结合, 成功实现了等离激元热载流子与表面活性位点的协同调控, 为高效、高选择性光催化CO2还原制C2+产物提供了全新的设计思路. 这一策略为等离激元光催化CO2还原向多碳产物合成的理性设计指明了方向.

关键词: 光催化CO2还原, 表面等离子体共振, 等离激元热点, C2H6生成, C–C偶联

Abstract: Photocatalytic CO2 reduction to C2+ products remains challenging due to inefficient C–C coupling. Herein, we design a plasmonic heterostructure comprising Au nanoparticles (NPs) and Ni-doped W18O49 (Ni-W18O49) nanowires for selective CO2-to-C2H6 photoreduction with H2O. Plasmonic hotspots generated at the Au/Ni-W18O49 interface concentrate optical energy via localized electromagnetic field enhancement, greatly boosting hot-electron generation and enrichment at the active sites. Meanwhile, Ni dopants in W18O49 promote the formation of *CHO intermediates, while adjacent Au NPs favor the generation and stabilization of *CO species. Crucially, these plasmonic hotspots mediate the synergy between the dual active sites, driving efficient C–C coupling by forming the critical *COCHO intermediate and enabling selective C2H6 formation. Therefore, the optimized Au1.2/Ni0.32-W18O49 catalyst attains a C2H6 yield of 25.41 μmol g–1 h–1 with 72.13% selectivity, a performance unattainable with bare Ni-W18O49. This work establishes engineered plasmonic hotspots as a potent strategy to advance CO2-to-C2+ photosynthesis.

Key words: Photocatalytic CO2 reduction, Surface plasmon resonance, Plasmonic hotspots, C2H6 production, C–C coupling