近日，東南大學化學化工學院、江蘇省富碳材料器件工程研究中心的韓劍宇/張袁健/劉松琴團隊在揭示光催化CO2還原質子化步驟方面取得重要進展。相關成果以“Unraveling the Essential Role of Consecutive Protonation Steps in Photocatalytic CO2 Reduction when Using Au Nanorods in a MOF”為題在國際期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上在線發表。

隨著全球對可持續能源解決方案需求的不斷增長，利用太陽能將二氧化碳（CO2）轉化為燃料和化學品已成為研究的熱點。然而，光催化CO2還原中的質子耦合電子轉移（PCET）機制，特別是質子化步驟的關鍵作用，仍未得到充分揭示。質子化步驟不僅影響反應速率，還決定產物的選擇性。然而，由于反應中間體的壽命極短，傳統檢測手段難以捕捉這些瞬態物種，從而限制了對反應機制的深入理解。

鑒于此，韓劍宇/張袁健/劉松琴團隊開發了一種新型Au@PCN-222催化劑，通過在MOF的一維通道中限域生長金納米棒（AuNRs），顯著提升了甲烷（CH4）的選擇性和產率。該催化劑保留了MOF的高比表面積和CO2吸附能力，并利用AuNRs的等離子體效應增強原位拉曼光譜，成功捕捉到CO2還原過程中*CHO等關鍵質子化中間體，揭示了其對CH4生成的決定性作用。光譜實驗表明，AuNRs作為電子轉移媒介，大幅提升了電荷分離效率，使CH4產率提高了12倍。DFT計算進一步證實，AuNRs通過Au-O-Zr鍵將“熱電子”轉移至Zr活性中心，降低質子化活化能，促進CH4生成。此外，H/D同位素動力學實驗明確表明，與CO生成過程相比，質子化步驟對CH4的形成起著更關鍵的作用。該研究為理解光催化CO2還原機制和設計高效催化劑提供了新思路。

東南大學化學化工學院的博士生黃天一為論文的第一作者，通訊作者為能源與環境學院韓劍宇副教授、化學化工學院張袁健教授和劉松琴教授，東南大學為唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金的資助。