光催化CO2转化为高价值的燃料和化学品已经成为解决严重的能源消耗和气候变化的有效方案。然而，目前的光催化催化剂受到严重的光生电子-空穴复合和低光利用率的限制，远远落后于工业应用的需要。
开发具有宽光谱响应和低电子-空穴对复合的廉价光催化剂已成为该研究领域的一个热点。S型异质结有效地保留了光催化剂的高氧化还原能力，但由于光生电子跨越禁止带隙所需的高能量，大多数S型异质结的光利用范围仍然局限于紫外-可见光区域。
此外，与传统光催化相比，利用红外光区将光子转化为热在提高太阳能驱动化学转化效率方面显示出巨大潜力。基于表面局部等离子体共振(LSPRs)的改性方法，以贵金属原子载荷为代表，通过晶格散射振动产生热量可以促进光催化。然而，这些方法的实际效果仍远低于预期。由于材料成本高和工艺复杂，上述两种策略的实际应用仍然存在困难。
近日，河北工业大学杨永芳、瞿雄伟和葛凯等通过单宁酸(TA)调节CoAl-LDH的电子结构以提高催化活性的同时，引入Cu离子作为无机交联剂，实现了在表面上原位构建具有双重催化和光热活性的金属-酚醛网络(MPN)，进一步形成了具有纳米级拟温室效应的涂层结构。
性能测试结果显示，在关闭冷却系统的全光谱照射下，得到的S型CoAl-LDH@TA-Cu-6 nm催化剂在4小时内的CO生产速率为345.8 μmol g-1，分别是紫外-可见光照射和6 °C全光照射下的2.54倍和1.93倍。此外，经过10次连续循环反应后，CoAl-LDH@TA-Cu-6 nm的反应性能没有发生下降，且稳定性测试后材料的形貌和结构仍保持初始状态。
系统的表征和理论计算表明，CoAl-LDH@TA-Cu-6 nm催化剂中的内建电场(IEF)和弯曲带边缘的协同效应导致在界面处产生S型电荷快速传输通道，这促进位于低氧化还原电位下的不需要的电子-空穴对在光照下的快速重组，使催化剂中具有高氧化还原能力的载流体得以保留，从而促进光催化反应。
同时，TA-Cu涂层进一步通过纳米拟温室效应减少了热辐射损失，使得该纳米反应器催化剂可以利用红外光且不需要外部热源，在1分钟内使温度升高100 °C以上。此外，关键物种COOH的产生是速率控制步骤，与CoAl-LDH相比，CoAl-LDH@TA-Cu的速率控制步骤的自由能垒降低了0.14 eV，这有利于加速CO2光还原反应。
综上，这项工作提供了纳米尺度微形态和电子状态修饰(缺陷和异质结工程)的整合的新见解，以实现广泛的光谱响应光催化纳米反应器设计，并揭示了协同增强纳米、原子和亚原子尺度的光催化活性的机制，为设计有效的光催化剂提供了理论依据。
In situ design of metal-phenolic networks coated layered double hydroxides S-scheme photothermal nanoreactor for highly efficient CO2 reduction. Advanced Functional Materials, 2025.DOI: 10.1002/adfm.202422347
杨永芳，博士，教授。2007年于南开大学博士毕业，同年入职于河北工业大学化工学院高分子材料科学与工程系。2016年于美国Case Western Reserve University做访问学者一年。现任Catalysts期刊学术编辑。研究方向为新型光、电催化材料的研究和污染物检测和去除。目前在Sep. Purif. Technol.、J. Mater. Chem. A、Angew.、ACS Appl. Nano Mater.等期刊发表多篇文章。
瞿雄伟，教授，博士生导师。1999年与北京化工大学材料学专业获得博士学位，研究方向为功能聚合物及复合材料的制备与性能。2004-2005年在曼彻斯特大学做访问学者。学术成果：自工作以来，发表SCI论文40余篇，获得国家发明专利23件；特别在聚丙烯酸酯核壳结构可控构筑及其与纳米无机粒子复合等方面取得显著成绩，应用于环保型压敏胶粘剂和脆性塑料高效增韧改性，获得河北省技术发明一等奖1项，河北省科技进步三等奖1项。是国家材料类“高分子材料”专业教学分指导委员会委员，河北省省管优秀专家，河北省粘接与涂料协会副理事长。