高效人工光合作用是实现碳中和与碳峰值的最有效途径之一，是许多科学家的梦想。发现具有优异催化性能的人工光合作用催化剂，实现常温常压下利用太阳能将二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)转化为可持续能源和高附加值产品，仍然是该领域面临的巨大挑战。石墨炔具有丰富的炔键、不均匀的电荷分布、天然带隙带来的全光谱吸收能力、优异的电子/空穴输运性能，以及石墨炔与金属原子之间独特的不完全电荷转移可以有效地稳定金属原子、产生更高的反应活性等特点，为构建具有明确的化学和电子结构的高性能人工光合作用催化剂，以及在原子水平上理解催化机理提供了理想的平台。

近日，中国科学院化学研究所研究员、山东大学讲席教授李玉良院士和山东大学薛玉瑞教授以石墨炔富炔结构、孔洞限域及其与金属原子之间的不完全电荷转移效应为科学基础，成功在石墨炔上实现了铜铒双金属原子的高效锚定，获得了石墨炔基铜铒异核双金属原子催化剂（CuEr-GDY）。该催化剂在人工光合作用中可实现常温常压下100%选择性的CO₂至CO转化，最高产率可达181.04 μmol g^-1 h^-1。相关研究成果发表在国际著名学术期刊《Materials Today》上。

图1：晶态石墨炔的合成与表征。（a）晶态石墨炔的可控合成示意图；晶态石墨炔的（b, c, e, f, h, i）HRTEM图像与（d, g, j）相应的SAED图像。

图2：CuEr-GDY的合成与形貌表征。（a）CuEr-GDY的合成示意图；（b-i）CuEr-GDY的HAADF-STEM图像（亮点：单个金属原子；黄色圆圈：原子对；绿色圆圈：原子）；（j）元素分布图像；（k）金属原子的尺寸分布（统计了超过700个亮点）；（l）原子对中原子间距的统计结果（统计了超过130对原子对）；（m）AFM结果。

图3：光催化CO₂转化。（a）人工光合作用示意图；（b）CuEr-GDY在不同条件下的CO产量；（c, d）CuEr-GDY与参照样品，不同Cu: Er比率的双原子催化剂的人工光合成性能；（e）CuEr-GDY与已报道光催化剂的性能对比；（f）由光催化¹³CO₂转化产生的¹³CO（m/z＝29）的气相色谱和相应的质谱结果；（g, h）CuEr-GDY的再现性和长期稳定性。

本工作中首先通过表面诱导-组装-原位生长的策略实现了晶态石墨炔的可控制备，随后从晶态石墨炔出发通过热辅助原位还原锚定的方法，实现了铜、铒双金属原子在晶态石墨炔表面的高选择性稳定锚定（CuEr-GDY）。金属原子的锚定显著提高了光生载流子分离效率，增强了光生电子的还原能力，提高了反应性能。气固相人工光合成在线检测结果显示CuEr-GDY以水为空穴捕获剂，实现了高效、高选择性和高稳定性的人工光合作用。

上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.04.012