尽管将CO2光催化还原为高附加值化学品（如CO）为实现碳中和提供了一条可持续路径，但在传统块体光催化剂中，电荷分离效率与活性位点密度的优化仍是重大挑战。
2025年10月29日，北京大学深圳研究生院冀豪栋在国际知名期刊Advanced Materials发表题为《Tensile-Strained 2D Bi2Ti2O7 for CO2 Photoconversion》的研究论文，Shuai Gao为论文第一作者，冀豪栋为论文通讯作者。
在本文中，作者研究发现原子级厚度、具有拉伸应变的二维（2D）层状Bi2Ti2O7纳米片（t-BT）在CO2光还原制CO反应中表现出极高效率。
拉伸应变诱导形成的不对称Bi-Ovac-Ti位点增强了定向电荷传输路径，使光生电子富集于金属活性位点，实现了高达91.5%的电荷分离效率。
此外，这些不对称位点可侧向吸附CO2分子，产生区别于传统路易斯酸碱对的电子“推–拉”效应，协同优化*COOH中间体的活化与*C-O键的断裂，从而加速CO2转化与CO脱附。
值得注意的是，t-BT的CO产率达31.06 μmol g-1 h-1，选择性接近100%，远优于未应变块体材料（0.9 μmol g-1 h-1）。
本研究强调了二维（2D）烧绿石结构中的应变工程，揭示了缺陷–应变协同如何克服光催化剂设计中的传统权衡问题，推动高效CO2转化为CO。
图1：层状 Bi2Ti2O7 范德华材料的结构表征与应变工程。a,b) b-BT 和 t-BT 的低倍高分辨透射电子显微镜图像。c1,d1) b-BT 和 t-BT 的侧视像差校正扫描透射电子显微镜图像及 c2,d2) 对应的晶体结构。插图显示了沿 [110] 轴的晶体结构。蓝色、橙色和白色球体分别代表 Ti4+、Bi3+和 O 原子。e,f) b-BT 和 t-BT 的扫描透射电子显微镜图像以及基于几何相位分析确定的相应 εxx（顶部）和 εyy（底部）应变分量。暖色和冷色分别代表拉伸应变和压缩应变。g) b-BT 和 h) t-BT 的 Rietveld 精修慢扫描 X 射线衍射图谱。i) 二维（2D） t-BT 的制备及应变产生示意图。j) Ti 箔、TiO2、b-BT、t-BT 和 r-BT 的归一化 Ti K 边 X 射线吸收近边结构谱。k) Bi 箔、Bi2O3、b-BT、t-BT 和 r-BT 的傅里叶变换 k3 加权 Bi L3 边扩展 X 射线吸收精细结构谱。l) 表面 Ovac的活性位点，以及 m) （2D） Bi2Ti2O7 的应变与 Ovac 形成能之间的关系。图2：电子结构分析和光生载流子迁移的动态表征。a) 原胞和 b) r-BT 的能带结构。c) d-BT 和 d) t-BT 的自旋向上轨道投影能带结构。e) b-BT、r-BT、d-BT 和 t-BT 的总态密度和投影态密度。f) d-BT 和 t-BT 的自旋电荷密度图。g) 块体材料转变为缺陷诱导的拉伸应变二维材料过程中的能带结构演化，包括具有不同 Ti-O 键构型的晶体场的自旋电子构型图。h) Ovac 和晶格应变对乌尔巴赫拖尾和带隙能量影响的示意图。i) 乌尔巴赫能量图，j) 时间分辨瞬态光致发光衰减曲线，k) 归一化内建电场，以及 l) b-BT、t-BT 和 r-BT 的光生电子寿命（基于暗场开路电压衰减计算）。图3：CO2还原反应活性与稳定性。a) CO 和 b) CH4 在 b-BT、t-BT 和 r-BT 催化下随时间的变化趋势。c) b-BT、t-BT和r-BT的光催化CO（顶部）和 CH4（底部）释放速率，d) CO和CH4的选择性。e) 表观量子产率和 f) 使用 t-BT 进行的同位素 CO2 实验（插图显示了相应的质谱图）。图4：CO2在催化剂表面的吸附与活化机理。a) b-BT、t-BT 和 r-BT 的 CO2程序升温脱附热谱图。b) 在黑暗条件下，CO2和 H2O 在 t-BT 上吸附时记录的原位漫反射傅里叶变换红外光谱。c) 在黑暗条件下 CO2吸附过程中记录的 b-BT、r-BT 和 t-BT 的 c) Bi 4f 和 d) Ti 2p 的原位近常压 X 射线光电子能谱。e) CO2在 d-BT 和 t-BT 上吸附的差分电荷密度，包括吸附能、巴德电荷、键长和键角。f) t-BT 在 CO2 吸附前后的 Bi p 轨道和 g) Ti d 轨道的投影态密度。h) 通过桥接在 Bi-Ovac-Ti 位点上的 CO2吸附的俯视图和侧视图，用于研究分子轨道相互作用。i–k) 在真空条件下以及在 d-BT 和 t-BT 上吸附时，C-OA 和 C-OB键的原子轨道与 CO2相互作用的 –pCOHP 和 –ICOHP。l) 在真空条件下和在 t-BT 上吸附时，C-OA和 C-OB键的原子轨道与 CO2 相互作用的 –ICOHP。m) CO2吸附在 Bi–Ovac–Ti 位点时，C-OA和 C-OB键之间分子轨道相互作用的示意图。图5：机理研究。a) d-BT 和 b) t-BT 中，CO2在 Bi–Ovac–Ti 位点吸附后 Ti–OB和 Bi–C 键相互作用的 –pCOHP 和 –ICOHP 值。c) Ti 3d–OB 2p、Bi 6p–C 2s 和 Bi 6p–C 2p 轨道相互作用的示意图。d) Bi 和 Ti 原子对 CO2还原反应影响的示意图。e) 在 t-BT 上进行光催化 CO2还原反应时，在 2500–1100 cm-1范围内记录的原位漫反射傅里叶变换红外光谱。f) 在 b-BT、r-BT 和 d-BT 上，CO2光还原为 CO 过程中羧化路径各中间态的吉布斯自由能图。g) 在 d-BT 和 t-BT 上，CO2光还原为 CO 过程中解离路径各中间态的吉布斯自由能图。h) CO2光还原为 CO 过程中羧化路径和解离路径的示意图。综上，作者通过水热法成功构筑了具有拉伸应变的原子级薄层Bi2Ti2O7（t-BT）二维光催化剂，实现了高效、高选择性的CO2光还原制CO。该材料通过引入不对称的Bi–Ovac–Ti活性位点，诱导产生约0.5%的拉伸应变，显著增强了光生电荷的定向迁移与分离效率（达91.5%），并通过独特的“推–拉”电子机制有效促进了CO2的吸附、活化及C═O键断裂。实验与理论计算共同表明，该机制突破了传统路易斯酸碱对的限制，使CO2在Bi端接受电子极化、在Ti端实现电子注入，从而协同降低反应能垒，实现CO产率高达31.06 μmol g-1 h-1，选择性接近100%，较块体材料提升34.5倍。该应变-缺陷协同调控策略为二维（2D）光催化剂的设计提供了新范式，不仅适用于Bi2Ti2O7体系，还可拓展至其他层状氧化物、钙钛矿或硫族化合物中，实现针对不同反应路径的精确调控。Tensile-Strained 2D Bi2Ti2O7 for CO2 Photoconversion. Adv. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202516152.
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