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光催化CO2转化为高值化产物是可持续减排的重要路径。本研究通过简单的一步煅烧法制备了低成本CuO/碳 spheres/g-C3N4异质结复合材料，其p-n异质结通过导电碳桥实现高效电荷分离。实验表明最优样品在1bar、25℃下CO2吸附量为1.4mmol/g，CO和CH4产率分别为110.95和9.9μmol/g·h，CO选择性达73.7%。原位DRIFTS和DFT计算证实碳桥介导的异质结显著促进活性中间体（COOH*、CHO*、CH2O*、CH3O*）生成，电荷分离效率成为性能提升的主因。生命周期评估（LCA）显示避免贵金属使用使环境足迹显著降低，但需优化电力消耗。该研究为设计高效可持续光催化材料提供了新范式。
林桥|曾泽|董福
华北电力大学环境科学与工程学院，中国河北省保定市071003
摘要
利用光催化将二氧化碳（CO2）转化为高附加值产品是一种有前景且可持续的途径。本研究报道了一种低成本CuO/碳球/g-C3N4复合材料的制备方法，该方法无需使用贵金属，其特点是CuO与g-C3N4之间形成了p-n异质结，并通过导电碳桥相连。最佳样品具有适宜的CO2吸附能力（在1巴、25摄氏度条件下为1.4毫摩尔/克）和优异的CO2光催化性能。该样品的CO和CH4产率分别为110.95和9.9微摩尔/克·小时（μmol/g·h?1），CO选择性达到73.7%。光电化学测试表明，CuO/g-C3N4异质结通过碳介质促进了电子的快速转移，实现了有效的电子（e?）-空穴（h+）分离。原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in-situ DRIFTS）分析和密度泛函理论（DFT）计算共同验证了通过关键中间体（COOH*、CHO*、CH2O*和CH3O*）的高效反应路径，并阐明了驱动电荷动态的电子结构。此外，性能-性质相关性分析表明，电荷分离效率是影响性能的主要因素。生命周期评估（LCA）表明，在催化剂制备过程中避免使用贵金属显著降低了CuO/碳球/g-C3N4的环境影响。主要的环境影响来自生产过程中的电力消耗。这项工作为通过结合界面工程和机制理解来设计高效光催化剂提供了可持续的蓝图，以实现太阳能驱动的CO2增值转化。
引言
全球气候变化和能源危机已成为21世纪人类面临的最严峻挑战。自工业革命以来，化石燃料的大规模使用导致大气中CO2浓度持续上升，引发了一系列连锁反应，包括极端天气事件、海平面上升和生态系统退化。碳捕获、利用和储存（CCUS）技术被认为是实现《巴黎协定》设定温度控制目标不可或缺的解决方案。即使全球迅速向可再生能源转型，工业、发电和交通等领域仍需要CCUS技术来实现深度脱碳。
传统的CCUS技术虽然能够减少CO2排放，但受到高能耗和储存泄漏风险的限制，这阻碍了其大规模应用。因此，迫切需要开发高效且低能耗的碳中和技术。相比之下，光催化CO2转化技术利用催化剂在阳光作用下直接将CO2和H2O转化为碳氢燃料（如CH4、CH3OH）或合成气（CO/H2），兼具碳减排和能量再生的双重优势。这项技术被视为类似“人工光合作用”的颠覆性策略[1]、[2]、[3]。
金属氧化物、碳氮化物基催化剂、硫化物、金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）都是主流的光催化剂[4]、[5]。金属氧化物的载流子分离效率相对较低；g-C3N4的载流子复合率较高且比表面积较小，导致活性位点不足[6]。硫化物对可见光的利用率较高，但稳定性较差。MOFs和COFs具有很强的CO2吸附能力，但稳定性差且载流子迁移率低[4]。鉴于这些问题，开发具有高量子效率、良好稳定性和大比表面积以及多个活性位点的复合光催化剂至关重要[7]。幸运的是，异质结材料的发展在一定程度上可以解决这些问题。近年来，异质结催化剂已成为推进光催化CO2转化实际应用的最有前景的材料系统之一。Li等人[8]采用络合-氧化方法制备了三元催化剂g-C3N4/CuO@MIL-125(Ti)，克服了C1产物形成的限制，实现了C2产物的有效合成，为设计稳定高效的多产物光催化剂提供了新的见解。Song等人[9]合成了一种拓扑可控的BODIPY-Zr-MOF材料，能够在纯水中高效地将CO2转化为CO，且无需使用牺牲剂。该转化产率显著高于以往报道的MOFs，为设计新型光催化剂提供了重要参考。Li等人[10]开发了一种新型多维S型异质结光催化剂rGO/R-CeO2/g-C3N4，通过多界面接触设计实现了高效的电荷分离。这种催化剂结合了rGO和R-CeO2的双重功能（电子转移和CO2吸附），从而实现了高效的CO2还原。这项工作为设计高效稳定的CO2还原催化剂提供了新的范例。
然而，异质结材料制备的复杂性和高成本阻碍了光催化CO2转化技术从实验室研究向工程应用的转化。一步煅烧法是一种简单的材料制备方法，受到研究人员的青睐。Li等人[7]使用一步煅烧法制备了一种新型全固态Z型异质结光催化剂TiO2-TiC/g-C3N4，在温和条件下实现了CO2的光催化还原。然而，该材料的CO产率仍然较低（仅为11.3微摩尔/克·小时），距离实际应用还有一定差距。Liu等人[11]创新性地构建了一种FLI2/CNNS 2D/2D范德华异质结，通过使用碘作为电子受体显著提高了CO2还原的活性和选择性，突破了传统卤素掺杂的局限。然而，FLI2的制备依赖于超声剥离，导致产率较低；此外，FLI2的负载量也需要精确控制。这些限制增加了大规模生产的难度。此外，大多数异质结材料依赖于贵金属和复杂或高纯度的载流子[12]，限制了异质结催化剂在大规模工业应用中的经济可行性。此外，大多数研究忽视了催化剂CO2吸附性能的改进。现有光催化剂的电荷分离效率也存在瓶颈。为了解决上述问题，本研究提出了一种低成本的CuO/碳球/g-C3N4复合材料，该材料具有紧密的异质结界面。这种战略性设计将CO2吸附位点、光生电荷分离和传输通道以及催化反应位点整合到了单一材料系统中。因此，创建了一个结合CO2捕获和光催化转化的多功能平台。除了展示高活性外，本研究还利用原位DRIFTS技术和DFT理论计算清晰阐明了CO2的光催化机制。此外，基于内在性能相关性的分析，我们提出了一种以优化电荷分离和传输效率为中心的设计原则，认为电荷动态是光催化性能的主要驱动力。最后，本研究首次对实验室制备的光催化剂进行了生命周期评估（LCA），将环境可持续性指标纳入了光催化剂的设计和评估体系中。简而言之，这项工作架起了实验室创新与实现碳中和的可持续工业应用之间的桥梁。
催化剂制备过程和光催化还原实验中使用的试剂
尿素（分析纯度，Aladdin试剂）、葡萄糖（C6H12O6，分析纯度，Kermel试剂）、乙醇（分析纯度，Kermel试剂）、异丙醇（分析纯度，Kermel试剂）、三乙醇胺（TEOA，分析纯度，Kermel试剂）、乙腈（分析纯度，Kermel试剂）、三吡啶钌氯化物（分析纯度，北京化学试剂）、硝酸铜（Cu(NO3)2·6H2O（分析纯度，Aladdin试剂）以及去离子水（由环境工程系提供）
形态和晶体结构分析
使用SEM、TEM和XRD研究了g-C3N4、CuO/碳球以及CuO/碳球/g-C3N4的形态和晶体结构，表征结果如图3所示。原始的g-C3N4呈现出不规则的二维片状结构（图3（a）），比表面积较小；然而，其松散的形态结构有利于活性组分的负载和后续复合材料的生长[23]、[24]。如图3（b）所示
结论
总之，通过简单的界面工程和功能化策略，合成了一种低成本的CuO/碳球/g-C3N4复合材料，其核心为CuO/g-C3N4异质结。最佳样品5-CuO/碳球/g-C3N4的CO产率为110.95微摩尔/克·小时，CH4产率为9.9微摩尔/克·小时，CO选择性为73.7%。一系列光谱和电化学分析证实，建立的异质结通过导电介质实现了有效的电荷分离
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：51776072）的财政支持。
