利用基于CuMg的LDH材料简化二氧化碳的光电催化转化过程，生成C2+产物：一种单材料光阴极策略

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Streamlining CO? Photoelectrocatalytic Conversion to C 2+ products using CuMg-based LDH: A Single-Material Photocathode Strategy

　　本研究首次提出将Cu-containing层状双氢氧化物（LDH）作为单相光阴极材料，用于光辅助CO?还原生成高附加值产物（如C?和C?氧化物），并实现了低电压条件下的高效催化。通过调整金属比例和铁元素的掺杂，显著提升了光吸收和电催化活性，验证了LDH结构的可调性对光催化性能的优化作用。

　　
该研究聚焦于开发新型单相铜基层状双氢氧化物（LDH）光电阴极材料，旨在通过光催化与电催化协同作用实现二氧化碳高效还原。研究团队通过调整LDH的金属配比，成功将铝离子替换为铁离子，构建出Cu/Mg/Fe-LDH材料体系，在低电压条件下实现了二氧化碳向乙炔和丙酸等高附加值产物的定向转化。

在材料设计方面，研究突破了传统多相复合催化剂的局限，首次将LDH结构设计为兼具光吸收与催化功能的单一相材料。铜元素作为核心光吸收活性位点，其氧化态动态转换机制（Cu2?/Cu?）在光激发下可快速释放电子至外电路，同时维持催化剂表面活性位的稳定存在。这种设计有效解决了多相体系中电子传输路径复杂、界面接触阻抗大的技术瓶颈。

金属配比的调控展现出显著性能差异。Cu/Mg/Al体系主要依赖铝离子的强酸性和结构稳定性，促使二氧化碳还原生成丙酸等C3产物为主。而引入铁元素后，Cu/Mg/Fe体系展现出突破性进展：铁离子的引入不仅增强了材料的导电性（通过铁基电子传输通道的形成），更显著提升了可见光吸收效率。实验数据显示，在500-800 nm波段吸收强度提升达37%，且铁离子的氧空位缺陷态能有效富集表面活性位，使铜纳米颗粒的分散度提高至单原子级水平。

制备工艺采用改良型共沉淀法，通过精确控制金属离子摩尔比（Cu:Mg:M=2:1:1）和沉淀pH值（8.5±0.2），成功获得均匀的多孔LDH结构。特别值得注意的是，在光解过程中LDH层状结构发生活化相变，生成具有高比表面积（>150 m2/g）和丰富表面缺陷的Cu?O异质结构。这种结构转变使活性位密度增加约3倍，同时电子转移电阻降低至0.8 Ω·cm2，显著提升了光电流响应速度。

在光电化学性能测试中，采用双电层电解池（电解液为KHCO?溶液，pH=7.2）在1.5 V vs. RHE电压下，实现了CO?转化效率达18.7%的突破性数据。其中，Cu/Mg/Fe-LDH在可见光照射下（300-800 nm）的短路电流密度达到5.2 mA/cm2，较传统铜基催化剂提升42%。产物的选择性调控方面，通过调节光照强度（200-800 W/m2）和反应时间（60-240 min），成功实现了乙炔（C?O）与丙酸（C?H?O?）的定向合成，产率比控制在85%-92%区间。

机理研究揭示了铁离子的双重作用机制：一方面，Fe3?的氧化还原电位（E°=+0.77 V）与CO?吸附能（-1.12 eV）形成完美匹配，显著提升二氧化碳的表面吸附浓度；另一方面，铁基缺陷态（如Fe-O?空位）在光照下产生激子-空穴对，通过表面等离子体共振效应增强光吸收效率。这种协同作用使材料在低电压下仍能维持高活性和选择性。

工业化应用方面，研究创新性地采用丝网印刷技术制备光电催化剂薄膜，经120℃煅烧后获得厚度均匀（±5 μm）、机械强度达8 N/mm的柔性电极。连续稳定性测试显示，在200小时运行周期内，活性位保持率超过95%，且未出现明显的铜离子溶出问题（溶出率<0.5 mg/g·h）。这些特性为规模化制备光电催化反应器提供了可行路径。

该研究的重要启示在于，通过精准调控LDH的金属组分比例（M(II)/M(III)=1.2-1.5），可在保持层状结构稳定性的同时，优化光吸收边带和催化活性位的空间分布。这种结构-性能的构效关系为设计新型光电催化剂提供了理论依据。后续研究可进一步探索不同阴离子（如CO?2?、NO??）的掺杂效应，以及多金属协同体系的开发，以进一步提升整体催化效率和产物多样性。