d带中心+界面电荷协同调控！ZrO2CdS 光催化剂实现CO2高效高选择性转化。 近日，ENGINEERING Energy发表东南大学李乃旭教授团队重要研究成果，报道一种ZrO2/CdS 核壳结构光催化剂，通过界面工程精准调控 d 带中心与电荷分布，实现太阳能驱动CO2还原制CO性能大幅突破，为高效光催化CO2转化体系设计提供全新范式。
论文亮点
1. 超高活性与近100%选择性ZrO2/CdS-20（ZOCS-20）核壳催化剂 CO 产率达330.23 μmol/(g·h)，是纯CdS 的8.5倍，CO选择性 ≈100%，几乎无副产物。
2. 稳定性跨越式提升原位 ZrO2保护层显著增强CdS热稳定性与抗光腐蚀能力，20 次循环后活性仅下降 8.3%，结构与晶相保持完好。
3. 电荷分离效率质变异质结界面高效抑制光生载流子复合，电荷转移电阻显著降低，载流子寿命延长至8.37 ns。
4. d带中心精准调控界面强电子耦合使 CdS的d带中心向费米能级偏移，强化CO2化学吸附，*COOH 生成能垒显著降低。
5. 决速步能垒大幅下降DFT 证实 *CO2→*COOH 为速率控制步骤（RDS），ZOCS-20 该步吉布斯自由能垒仅0.56 eV，远低于纯 CdS（0.63 eV）与 ZrO2（0.94 eV）。
图1.ZOCS-20 合成路线与形貌表征
论文概要
背景与挑战
光催化CO2还原是实现碳循环与可再生能源存储的关键技术，但载流子复合快、CO2活化能垒高、催化剂稳定性差三大瓶颈严重制约其应用。CdS 虽可见光响应强，但易光腐蚀、载流子复合严重；ZrO2热/化学稳定性优异，可作为电子受体与电荷传输介质，二者复合有望实现性能协同提升。
材料设计与制备
团队采用溶剂热法在CdS纳米球表面原位生长ZrO2纳米颗粒，构建CdS 为核、ZrO2为壳的ZOCS-20异质结，界面结合牢固、无团聚、无杂相。
图2. 物相、表面化学与织构性质分析
性能与机制
1. 光催化性能：无牺牲剂/光敏剂条件下，ZOCS-20 CO产率330.23 μmol/(g·h)，STC 转换效率0.591‰，远超单一组分；13CO2同位素示踪证实CO源自CO2还原。
2. 光热协同：光照下催化剂表面升温提供额外能量，加速C−O键断裂，活性提升3.2 倍。
3. 电荷转移机制：CdS与ZrO2功函数差异诱导内建电场，电子从CdS流向ZrO2，实现高效电荷分离。
4. 吸附与活化：界面调控使 d 带中心上移，CO2吸附能降至 −0.95 eV，吸附强度与活化程度显著增强。
图3.光催化性能、机制验证与稳定性
图4.光学性质、载流子动力学与能带结构
图5.功函数、界面电荷差与转移机制
图6.吸附行为与电子结构
图7.原位红外与反应能垒
总结与展望
核心总结
ZOCS-20 核壳催化剂实现界面工程−电子结构−能垒调控三位一体协同优化：ZrO2壳层保护 CdS，提升稳定性；异质结界面高效分离载流子，加速电荷传输；d带中心调控强化 CO2吸附与活化；显著降低 * COOH生成能垒，加速反应动力学。最终实现高活性、高选择性、高稳定性的光催化 CO2还原制CO。
未来展望
本研究提出的界面−能带协同增强机制，为设计高效光催化材料提供原子级理论指导与实验策略，有望推动太阳能驱动 CO2制高附加值产物的工业化进程，助力双碳目标实现。未来可拓展至其他金属氧化物/硫化物异质结体系，进一步提升活性与稳定性，开发多碳产物选择性转化新路径。（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-026-1071-3
作者：李乃旭 来源：《工程·能源》
