二氧化碳（CO₂）的绿色转化与利用是能源与环境领域的前沿研究方向之一，同时有助于我国顺利实现“双碳”发展目标。光催化CO₂还原制备高附加值化学品，灵感来源于植物的光合作用，具有太阳光驱动、反应条件温和、无二次污染等优点，是实现CO₂转化的理想途径，近年来得到了广泛研究。

然而，受限于CO₂分子的化学惰性、较低的溶解度以及极低的液相扩散系数，以水为绿色质子源的光催化CO₂还原反应依然面临反应速率低、产物选择性差等严峻挑战。

近日，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员团队发展了一种具有亲水-疏水浸润性突变性质的气-液边界层三相光催化CO₂还原体系，有效解决了气态CO₂和液态水分子在催化界面的传质问题。以Ag-TiO₂为模型光催化材料，CO₂还原反应速率超过300 μmol g^-1 h^-1，含碳产物选择性高达97.8%。同时，该三相体系在低浓CO₂反应气氛中依然表现出了优于传统液-固两相体系的光催化反应速率与选择性。

将亲水的Ag-TiO₂光催化材料负载于疏水多孔载体(GDL)表面，催化材料一侧与水相接触，另一侧暴露在气相中。由于催化材料与载体的亲水-疏水浸润性差异，使得催化材料自发处于气-液边界层（距离气-液界面0-1.8 μm），CO₂分子可以由气相经气-液边界层扩散至催化材料表面。

荧光共聚焦成像表征揭示了Ag-TiO₂光催化材料的界面浸润状态。水相浸润了催化材料层，但不能进入疏水载体的孔道内，因此同时保证了CO₂与水分子在催化界面的快速传质过程。

光催化CO₂还原测试结果显示，传统液-固两相体系，受限于CO₂的传质过程，产氢竞争反应占据主导。本工作发展的三相体系，CO₂还原反应速率超过300 μmol g^-1 h^-1，含碳产物（甲烷、一氧化碳）选择性高达97.8%，超过了已报道的Ag-TiO₂基光催化CO₂还原体系。此外，将反应气中的CO₂浓度降至10%，反应速率依然保持了约80 μmol g^-1 h^-1的反应速率以及90%的选择性。

该工作用到的催化材料以商业材料为基础，无需复杂的配体修饰改性处理，反应过程没有用到任何牺牲剂，并且表现出了大于40小时的循环稳定性与低浓CO₂适用性，为更加高效的CO₂界面传质与光反应过程提供了新的发展策略。

论文信息：

Triphase Photocatalytic CO₂ Reduction over Silver-Decorated Titanium Oxide at a Gas–Water Boundary

Dr. Huining Huang, Dr. Run Shi, Dr. Zhenhua Li, Jiaqi Zhao, Prof. Chenliang Su, Prof. Tierui Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202200802