可编程光催化二氧化碳还原：利用铁电极化切换实现Pd/SAC/In2S3单层材料上按需可逆的产品选择性

帅张|徐洋洋|翟佳琪|高胜|孟凡春|李银峰|钱琦|吴彦昭|韩宝晨

摘要

精确调控反应路径和产物选择性一直是光催化CO₂还原以实现温室气体转化的核心瓶颈。传统的光催化剂具有静态活性位点，一旦合成后就会固定反应路径，无法满足复杂CO₂还原反应（CO₂RR）网络中按需切换产物的需求。在本研究中，我们基于室温下的铁电材料α-In₂S₃单层，通过第一性原理计算系统地研究了铁电极化方向对Pd单原子活性位点电子结构及CO₂RR性能的影响。研究发现，内在的铁电极化作用促进了光生载流子的分离，并动态调节了Pd活性中心的d带中心和电荷状态。这种调控优化了关键中间体的吸附过程，将决定反应速率的步骤（RDS）的能量障碍降低了0.68 eV。更重要的是，电极化的反转实现了CO₂初始氢化路径在*HCOO*和*COOH*之间的完全可逆切换，从而实现了包括HCOOH、CO、CH₃OH和CH₄在内的C1产物的按需选择性生成。同时，竞争性氢演化反应（HER）的活性也可以同步调节，以优化CO₂RR的选择性。这项工作打破了传统静态催化剂设计的范式，建立了可编程光催化的完整理论框架，并为下一代可调CO₂转化系统提供了坚实的理论指导。