摘要：

在多种二氧化碳(CO₂)转化技术中, 光催化因能够直接利用丰富的太阳能驱动可持续碳循环而备受关注. 然而, 实现CO₂向C₂⁺产物的高效转化仍面临挑战, 主要受限于C₁物种易于脱附以及碳-碳偶联动力学缓慢. 现有光催化体系多以合成气为主产物, 但其后续加工需求降低了整体碳资源化效率. 为克服这些不足, 串联催化策略逐渐受到重视, 即通过先将CO₂光还原为CO, 再进一步转化为高附加值化学品. 其中, 钯催化羰基化反应因其能够通过简便的一锅法合成精细化学品和医药中间体而展现独特优势, 但传统工艺往往依赖苛刻条件, 限制了能源效率与工艺可扩展性. 因此, 在温和条件下实现CO₂光还原与钯催化羰基化的高效耦合具有重要意义.

近日, Xu等在Nat. Commun. (Nat. Commun., 2025, 16, 6882)报道了一种光热驱动的创新性串联策略: 通过构建CeO₂/Bi₂S₃的S型异质结并与钯催化羰基化反应耦合, 实现了CO₂高效转化为高附加值酰胺化合物. 该异质结通过静电自组装构建, 兼具丰富的氧空位, 以及优异的可见光响应和阶梯式能带结构. 功函数计算与X射线光电子能谱分析结果表明, Bi₂S₃向CeO₂的电子转移在界面形成内建电场和能带弯曲, 显著促进了光生电子的定向迁移. 飞秒瞬态吸收光谱进一步验证了典型的S型电荷转移特征, 揭示该体系具备高效载流子分离与超快转移能力, 从而大幅提升了CO₂还原活性. 在紫外-可见光照射下, CeO₂/Bi₂S₃实现了14.05 mmol·g^‒1的CO产率和98%的选择性; 同位素标记实验确认了CO确源于CO₂. 结合密度泛函理论与原位漫反射红外光谱分析, *COOH被鉴定为关键中间体, 而Bi与S位点较高的析氢能垒有效抑制了副反应发生. 在此基础上, 研究团队搭建了双室串联反应系统, 实现了光生CO的原位利用: 在近常温(≈50 °C)条件下高效驱动Pd催化羰基胺化反应, 成功合成N,N-二乙基甲苯甲酰胺, CO转化率接近100%, 且¹³C标记实验再次证实碳源来自CO₂. 该工作有效打通了CO₂光还原与有机合成之间的关键环节, 不仅规避了CO储运的安全风险, 还显著提升了碳资源化利用价值.

总体而言, 本研究提出了一条绿色且可扩展的CO₂光催化高值转化路径, 充分展示了S型异质结构构筑, 界面能带调控与功能耦合催化的协同优势, 为太阳能驱动的碳资源化利用提供了新的思路, 并拓展了未来构建多步串联催化平台的研究空间. 通过将光驱动的CO₂还原与成熟的羰基化化学过程有机耦合, 该策略不仅打通了从基础光催化到精细化学品合成的关键环节, 还有效规避了CO分离与储运风险, 显著提升了碳资源转化的整体效率与经济可行性. 该研究不仅为CO₂直接转化为高附加值化学品提供了切实可行的途径, 也为未来开发高效, 可持续的多步串联催化平台奠定了基础, 展现出在绿色化工, 可再生能源利用以及“碳中和”目标实现中的广阔应用前景.

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