光电催化CO₂、H₂O还原反应是通过光能量将温室气体还原为高价值化学品和燃料的具有前景的方法。虽然CO₂气体具有非常强的稳定性，目前人们在实验中能够实现CO₂还原为广泛的各种产物，包括C₁(CO、HCOOH、CH₄、CH₃OH)、C₂₊(乙烯、乙醇、丙醇)。更加吸引人的角度在于，如果将CO₂转化为CO和H₂合成气，因此能够进一步催化转化为液态烃类燃料，比如柴油、汽油和煤油等。

III-V半导体表现了优异的光电转换能力，是重要的太阳能-燃料转化催化剂，比如太阳能驱动CO₂还原、分解水。通过调控III-V半导体异质结，能够调控能带结构和晶格参数，从而实现预期的能带能量，改善晶体结晶度。

但是光电催化反应中的光电极结构、界面在光电催化反应过程中对催化反应活性和催化反应选择性的影响并未得到正确理解。相关研究需要关注改善光的利用率、原子利用效率、载流子抽取、CO₂催化活化等关键性改善CO₂光化学还原反应性能。

有鉴于此，美国加州大学伯克利分校Joel W. Ager、澳大利亚国立大学Siva Karuturi、新加坡南洋理工大学王蓉等报道系统的研究InP光电极和Au-TiO₂界面，发现构建InP的纳米结构能够提高光吸收能力、提高载流子寿命，提升光响应能力；通过增加Au-TiO₂界面丰富的位点，实现比平板型光电极更丰富的界面接触位点浓度，提高光催化反应的CO产量。

本文要点：

（1）

作者通过理论计算研究，发现Au-TiO₂界面上存在Au和TiO₂之间限域在界面的电荷传输，这种作用导致增强CO*中间体在携带正电荷的Au催化界面位点的吸附，因此实现改善CO₂光催化还原得制备CO的效果。

（2）

光电催化活性。Au-TiO₂/InP纳米柱阵列光电极作为光电催化，在1个模拟太阳光作为光源进行光催化，实现了+0.3 V的起始电压，84.2 %的CO法拉第效率选择性。

本文研究结果展示基于III-V半导体的光电极实现了通过催化剂结构-界面协同作用，改善光电极的催化反应光响应和光催化反应选择性。

参考文献

Guanyu Liu, Parvathala Reddy Narangari, Quang Thang Trinh, Wenguang Tu, Markus Kraft, Hark Hoe Tan, Chennupati Jagadish, Tej S. Choksi, Joel W. Ager*, Siva Karuturi*, and Rong Xu*, Manipulating Intermediates at the Au–TiO₂ Interface over InP Nanopillar Array for Photoelectrochemical CO₂ Reduction, ACS Catal. 2021, 11, 11416–11428

DOI: 10.1021/acscatal.1c02043

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c02043