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太阳能驱动的CO₂还原技术被认为是一种有前景的方法，可以将CO₂转化为高附加值的燃料或化学品，从而减少CO₂排放并实现碳循环利用。二维（2D）金属硫化物具有高比表面积和超薄结构，可以提供大量的催化活性位点，并显著缩短光生载流子的迁移路径，从而减少电子-空穴复合，提高电荷分离效率。应变工程能够通过调节催化剂的晶格结构，优化催化位点的电子结构，从而改善催化剂的反应性能。然而，目前多数的研究集中在宏观尺度上施加应变，而在原子尺度上通过应变调节催化剂的结构和电子性质的研究仍相对较少，且尚未能全面解决在低浓度CO₂环境下催化剂性能不足的问题。

基于此，湖北师范大学王楷、郑州大学李俊和香港城市大学刘彬教授等人通过原子级应变工程成功提升了层状硫化铟（In₂S₃）的光催化性能，实现了在环境空气条件下高效的光驱动CO₂还原，为开发高效、稳定的CO₂还原催化剂提供了新的思路和方法。该研究以“Visible-light-driven CO₂ photoreduction over atomically strained indium sites in ambient air”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

1、原子级应变工程的引入：通过湿化学方法在层状硫化铟（In₂S₃）中引入氧配位和硫空位，成功实现了原子级应变。这种应变工程显著改变了材料的晶格结构和电子性质，提供了丰富的未配位催化位点，从而增强了CO₂的吸附和活化能力。

2、高效的环境空气CO₂光还原：研究展示了应变In₂S₃在环境空气条件下对CO₂的高效光还原性能。在可见光照射下，CO₂到CO的转化率达到5.16 µmol g⁻¹ h⁻¹，比原始In₂S₃提高了约9倍。这一成果在低浓度CO₂环境中尤为重要，为实际应用提供了可能性。

3、深入的理论和实验结合：通过研究揭示了应变In₂S₃的光催化机制。理论计算表明，应变铟位点降低了关键中间体形成的能量，促进了光生载流子的分离和转移。实验数据与理论模拟相结合，为理解光催化过程提供了全面的见解。

图1 结构表征

图1展示了原子级应变工程在层状硫化铟（In₂S₃）中引入应变的结构表征和实验结果，并通过多种表征技术（如TEM、HAADF-STEM、HR-TEM、XANES、FT-EXAFS和WT-EXAFS）全面展示了应变In₂S₃的结构特征和原子级应变的存在。这种应变导致晶格无序缺陷，提供了丰富的未配位催化位点，并诱导结构畸变，从而改变能带结构，促进CO₂的吸附和活化。这些结果证实了应变工程在改变材料晶格结构和电子性质方面的有效性，为后续的光催化性能提升提供了结构基础。

图2 电荷转移动力学

图2通过多种光谱和电化学表征技术（如UV-vis DRS、PL、SPV和fs-TA）全面展示了应变In₂S₃的光吸收特性、能带结构以及光生载流子的分离和转移动力学。原始In₂S₃和应变In₂S₃在475 nm处的瞬态吸收动力学曲线显示，应变In₂S₃显示出更短的基态漂白衰减时间，表明其具有更快的电荷转移速率。这些结果表明，应变In₂S₃具有更好的光捕获能力、更高的光生载流子分离效率和更快的电荷转移速率，从而显著提升了其光催化性能。

图3 光催化CO₂还原性能

图3通过产物产率、循环稳定性和原位光谱表征（如DRIFTS和FTIR）全面展示了应变In₂S₃在CO₂光还原反应中的优异性能和反应机制。应变In₂S₃在环境空气（低浓度CO₂）下的CO和CH₄产率。即使在低浓度CO₂条件下，应变In₂S₃仍能保持显著的光还原活性。在纯CO₂环境下，应变In₂S₃表面明显的*CO吸附峰，表明该材料在CO₂还原过程中对CO有较强的吸附能力，促进了CO生成。在环境空气中，由于CO₂浓度较低，*CO吸附峰的强度减弱，这解释了为何在空气中应变In₂S₃主要选择性地还原CO而非CH₄。

图4 DFT研究

图4通过DFT计算和实验验证（如CO₂和CO TPD）全面展示了应变In₂S₃在CO₂光还原反应中的吸附、活化和反应机制。原始In₂S₃和应变In₂S₃上CO₂还原的自由能变化，应变In₂S₃显示出更负的*COOH形成能（0.30 eV），表明其具有更低的能量需求，有利于CO₂还原为CO。原始In₂S₃和应变In₂S₃上*COOH中间体的差分电荷密度显示，应变In₂S₃显示出更高的电子浓度转移到近表面区域，表明其具有更强的电子转移能力。这些结果表明，应变In₂S₃具有更强的CO₂吸附能力、更低的反应能垒和更高的电子转移效率，从而显著提升了其光催化性能。

该研究通过原子级应变工程成功提升了In₂S₃的光催化性能，为高效、稳定的CO₂还原催化剂的设计提供了新的思路。未来的研究可以进一步优化材料设计、拓展应用范围、提高光催化效率，并深入理解反应机制，推动其在可持续能源和环境治理领域的实际应用。

Visible-light-driven CO₂ photoreduction over atomically strained indium sites in ambient air. Nature Communications