Unveiling the Dynamic Electronic Structure of CuZn Catalysts for Solar-driven CO2 Reduction, Applied Catalysis B: Environment and Energy 395,126897(2026)
同步解析 Cu–Zn 合金光電催化劑動態電子結構，提升太陽能驅動二氧化碳還原製甲烷效率
Ruspika Sundaresan, Chung Sheng Tseng, Tai Ying Lai, You-Chiuan Chu, Guan-Bo Wang, Feng-Ze Tian, Chia-Shuo Hsu, Ching-Wei Tung*, Hao Ming Chen*
2026/08/17
太陽能驅動二氧化碳還原反應被視為兼具碳循環與再生能源儲存潛力的重要技術，但如何提升甲烷生成的選擇性與轉換效率，同時釐清光照下催化劑的動態變化機制，仍是目前的重要挑戰。本研究設計由黑矽承載 Cu–Zn 合金奈米催化劑的光電陰極，成功利用光照將二氧化碳高效率轉換為甲烷，最佳組成 Cu88Zn12 在 −0.99 V（vs. RHE）下可達約 40% 的甲烷法拉第效率，同時較純銅催化劑降低約 0.2 V 的反應起始電位。
本研究利用國家同步輻射研究中心 TLS 光束線進行臨場 Cu 與 Zn K-edge X-ray Absorption Spectroscopy（XAS） 量測，即時追蹤催化反應過程中催化劑的電子結構與局部原子結構演變。XANES 結果顯示，Zn 的導入可有效穩定金屬態 Cu，使其在反應過程中維持較低氧化態；EXAFS 則證實 Cu–Zn 合金骨架在反應期間保持穩定，而催化活性的提升主要來自電子結構的動態調控，而非結構重建。配合臨場Raman 光譜分析，進一步證明光照產生的高能電子可促進 *CO 向 *CHO 中間體的轉換，進而提升甲烷生成路徑的選擇性。
本研究展示同步輻射臨場光譜在解析光電催化反應動態電子結構上的重要能力，建立催化劑電子狀態、反應中間體與催化性能之間的直接關聯，為未來高效率太陽能燃料轉換及新世代光電催化材料設計提供重要的科學依據。
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