如何快速調整能源結構，降低傳統能源利用引發的環境負效應，成為了人們亟需解決的首要問題。利用豐富的太陽能轉換二氧化碳為高附加價值的還原態產物是較為理想的二氧化碳資源化途徑。基于半導體材料的光催化技術可以將太陽能轉換為具有還原-氧化能力的電子-空穴對，并驅動相應的化學反應，轉換太陽能為化學能。這一方案實現了一步將光子能量轉換、存儲為化學鍵能，因而具有美好的應用前景。

二氧化碳作為碳的最高氧化形態，具有較高的化學穩定性。利用水作為還原劑是目前較為流行的二氧化碳轉化途徑。在這一反應途徑中涉及兩個動力學緩慢的半反應（圖1）：水首先被氧化產生質子; 后續質子還原二氧化碳為還原態的產物（比如烷烴類、醇類等）。顯然，多電子遷移過程以及高的化學惰性決定了CO2催化轉化勢必需要克服較高的反應能壘，因而實現高效CO2還原以滿足工業化應用仍極具挑戰性。

圖1. 光催化還原二氧化碳基本原理

世成課題組早在2010年就率先開展了光催化轉換二氧化碳研究工作 (Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6400；J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14385)。在后續研究中，利用不同晶面的物性差異控制反應的產物選擇性（Chem.Commun. 2011, 47, 5632）；構筑固態堿性位活化二氧化碳分子來促進光催化反應速率（Chem. Commun. 2012, 48, 1048）；提出了以空穴有效質量為性能評價指標來篩選半導體光催化材料（Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 758；Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1839）；利用極性半導體自身的極化場高效分離電荷來促進二氧化碳轉化效率（ChemSusChem 2016, 9, 2064）。

圖2. 空間分離的雙活化位實現高效還原二氧化碳為甲烷

近期，課題組提出了空間分離的雙活化機制，即利用固體堿和晶體空位缺陷，分別將惰性的CO2和H2O活化成CO3和OH物種，以降低反應活化能，從而實現反應速率相匹配的半反應，最終實現CO2還原性能的提高。為了驗證該想法，課題組成功制備了La2O3固態堿修飾的含有氧空位的LaTiO2N作為光催化材料模型。研究發現，固體堿中的O2-離子能夠活化CO2生成CO32-。同樣，H2O在氧空位下能夠有效解離成H+和Ob2-。理論計算顯示，O-C-O和H-O的鍵長變長，O-C-O鍵角變小，這就意味著，利用固體堿和氧空位確實能夠實現反應分子的選擇性吸附活化，從而有效地降低了反應活化能（圖2）。另外，空間分離的活化位點有利于誘導氧化還原反應的分離，有助于抑制光生電荷的復合和抑制中間態物種逆反應的進行。該工作發表在Advanced Functional Materials雜志上（10.1002/adfm.201702447）

現代工程與應用科學學院2015級博士生陸磊為論文第一作者，閆世成副教授為論文通訊作者，該研究得到了鄒志剛院士的精心指導，獲得了科技部973計劃、國家自然科學基金及國防核生化重點實驗室開放基金的資助。