太阳能是一种清洁、可再生、体量巨大的能源。构建高效的催化反应体系，利用太阳光能将温室气体CO₂转化为甲醇是一种缓解能源危机和环境污染的有效方式。在众多催化剂材料中，Cu₂O由于低毒性、高储量和特殊的催化性能而受到了研究工作者的广泛关注，然而其催化活性、稳定性、选择性仍有待进一步提升。在原子水平上理解实际工作条件下的活性位点和转化机制是合理设计高性能光催化剂的前提。近日，阿贡国家实验室的Tijana Rajh和Liu Yuzi等通过采用原位扫描荧光x射线显微镜和大气压下的环境透射电子显微镜，在操作中直接观察到单个Cu₂O光催化剂纳米颗粒的(110)面对CO₂还原为甲醇具有光催化活性，而(100)面是惰性的，活性位点的氧化态由于CO₂和H₂O的共吸附由Cu(i)向Cu(ii)转变，而且在可见光照射下在CO₂还原后重新转变为Cu(i)，Cu₂O光催化剂在还原二氧化碳的同时氧化水。另外，由于二氧化碳的吸附，Cu₂O晶格会膨胀，然后在二氧化碳转化后又会恢复。使用该Cu₂O晶体进行光催化CO₂还原为甲醇的内部量子产率为~72%。该工作对于在原子水平上理解Cu₂O实际工作条件下的活性位点和转化机制具有重要意义，为设计高性能光催化剂提供了新的思路。

Yimin A. Wu, Ian McNulty, Cong Liu, Kah Chun Lau, Qi Liu, Arvydas P. Paulikas, Cheng-Jun Sun, Zhonghou Cai, Jeffrey R. Guest, Yang Ren, Vojislav Stamenkovic, Larry A. Curtiss, Yuzi Liu, Tijana Rajh. Facet-dependent active sites of a single Cu₂O particle photocatalyst for CO₂ reduction to methanol. Nature Energy, 2019.

DOI: 10.1038/s41560-019-0490-3

https://doi.org/10.1038/s41560-019-0490-3