01 科学背景
光催化和电催化具有显著的环境友好性和绿色性，被视为实现更可持续未来的有力工具。同时，新催化剂的设计有望同时实现多功能，将反应物引入、反应、产物浓缩和分离集成在一个系统中。具有特定光电化学特性的半导体异质结构和复合材料已显示出在光照射下提供强大驱动力以实现有效电荷分离和后续转换的潜力，例如p-n结、肖特基结和半导体/碳异质结构。碳点（C-Dots）作为一种新兴的多功能碳基物种，在光/电催化领域受到广泛关注，特别是多功能集成。在光电化学功能方面，C-Dots由于共轭sp2域而具有电荷转移和存储的特性，这为改善光生电荷载流子的提取和分布提供了很好的机会。在化学工程方面，碳点通常在催化剂设计中发挥双重作用：通过表面基团构建光还原活性中心和传质的潜在驱动力。从结构上看，碳点丰富的表面基团（通常带负电）和共轭碳核可以共同提供强大的分子间作用力，有利于反应物和产物的传质和分离。到目前为止，半导体纳米结构、碳点及其丰富的光电化学特性已经准备好集成反应、传质和产物分离的功能。
02 创新成果
江苏大学施伟东教授、颜伟城教授、李龙华副教授和苏州大学康振辉教授团队使用掺杂铜的ZnIn2S4（Cu-ZIS，Unit-1，光捕获和反应）纳米片和碳点（C-Dots，Unit-2，电荷和传质）作为基本构建单元来实现集成光催化剂设计，例如复合纳米催化剂本身具有反应、传质、分离的多功能，使其成为纳米反应器。质子的传质是由相邻Cu(II)/C Dots之间的强内部电场促进的，而及时的产物分离是通过在纳米级催化空间内，Cu(II)介导的吸附底物构象翻转以及与碳点的π-π共轭来实现的。因此，具有集成多功能的光催化剂带来了很大的催化性能提升，主要体现在苯甲醇（BA）氧化偶联H2/苯甲醛（BAD）生产（45.95/46.47 mmol g-1h-1）的活性增强上，分别是纯ZIS的36.87和36.73倍。
相关研究成果2024年9月14日以“Designing 2D carbon dot nanoreactors for alcohol oxidation coupled with hydrogen evolution”为题发表在Nature Communications上。
03 核心创新点
纳米反应器设计：通过模仿纳米反应器的概念，将反应、质量传递和分离功能集成在一个纳米结构中，这在光催化剂设计中是创新的。
Cu-ZnIn2S4与碳点的复合结构：利用Cu-ZnIn2S4纳米片和碳点（C-Dots）构建了一种新型的复合材料，这种结构不仅增强了光吸收和电荷分离，还促进了有效的质量传递。
内置电场的利用：通过设计产生了强内置电场，该电场在纳米尺度上驱动了质子的快速扩散和有效分离，这是提高催化反应速率的关键因素。
Cu(II)介导的中间体构象翻转：在催化剂表面，Cu(II)位点能够促使中间体发生构象翻转，这有助于产物从活性位点上及时分离，提高了反应的选择性。
04 数据概览
05 成果启示
这项工作通过结合纳米空间内的反应、传质和分离功能，使用Cu-ZIS纳米片和C-Dots的光催化剂作为纳米反应器的有效设计。C-Dots/Cu-ZIS系统表现出改进的BA氧化催化活性，高产率主要来自于高效的电荷积累和高效的传质。接近一致的BAD选择性来自于Cu(II)中心上吸附底物的构象演化，其从氧化单元推向还原单元，并通过与C-Dots的π-π共轭促进产物分离以避免过度氧化。这项工作清楚地展示了光催化驱动的可再生能源和绿色化学工程之间令人鼓舞的联系，以及多单元光催化剂在反应、传质和分离方面的集成设计的概念验证路线。
doi.org/10.1038/s41467-024-52406-2
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