铑配合物增强多元素掺杂石墨烯光催化CO2 转化：揭示甲酸合成与有机转化的可持续催化新策略

　　为应对全球CO2 排放与能源危机，研究人员开发了氮/硼/硒三掺杂石墨烯（N,B,Se-G）光催化剂，实现了CO2 高效转化为甲酸（效率1.623%）和1,3-氧硫杂环戊烷-2-硫酮（产率94%），同步完成NAD+ 再生（效率49.75%）。该研究通过多元素协同效应提升光吸收与电荷分离，为绿色催化与有机合成提供了创新平台。

　　

全球变暖的警钟已敲响——自工业革命以来，地球平均温度以每十年0.18°C的速度攀升，化石燃料燃烧释放的CO₂
成为罪魁祸首。传统CO₂
转化技术面临催化剂效率低、反应条件苛刻等瓶颈，而自然界中依赖NADH的甲酸脱氢酶（FDH）虽高效却难以规模化应用。与此同时，药物分子1,3-氧硫杂环戊烷-2-硫酮的合成长期受制于碱金属催化剂的局限性。如何通过人工光合作用实现CO₂
资源化与高值化学品合成的双赢，成为科学家亟待破解的难题。

来自马德拉斯理工学院与印度科学研究院的研究团队另辟蹊径，通过高温热解将氮（N）、硼（B）、硒（Se）三元掺杂至石墨烯骨架，创制出具有"电子高速公路"特性的光催化剂（N,B,Se-G）。该材料在可见光下不仅将CO₂
转化为甲酸的效率提升至1.623%，更同步实现NAD⁺
向1,4-NADH的高效再生（49.75%），并催化合成出产率达94%的1,3-氧硫杂环戊烷-2-硫酮衍生物。这项发表于《无机化学通讯》的研究，为碳中和技术与绿色制药提供了全新解决方案。

关键技术方法
研究采用高温固相掺杂法制备三掺杂石墨烯，通过紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料光学与电子特性；利用气相色谱和高效液相色谱（HPLC）分析CO₂
转化产物；通过电子顺磁共振（EPR）捕获自由基中间体；采用密度泛函理论（DFT）计算能带结构。

研究结果

材料特性与催化机制
三元素掺杂产生协同效应：氮提供活性位点，硼促进电荷分离，硒拓宽光吸收范围。DFT计算显示掺杂使石墨烯带隙缩小至2.1 eV，可见光利用率提升3倍。EPR证实材料可稳定产生超氧自由基（O₂
^•-
），驱动C-S键形成。

CO₂
转化性能
在模拟太阳光下，N,B,Se-G催化CO₂
还原的甲酸产率为1.623%，较双掺杂体系提高2.4倍。同位素标记实验证实碳源来自CO₂
而非杂质。与铑配合物协同作用时，甲酸选择性达91%。

有机转化应用
成功构建C-S键合成1,3-氧硫杂环戊烷-2-硫酮，对4-甲基苯乙烯的转化率94%。机理研究表明，光生空穴氧化苯乙烯生成碳正离子，继而与CS₂
发生亲核加成形成五元环。

NADH再生系统
该催化剂在无酶条件下实现NAD⁺
→1,4-NADH转化，效率达49.75%，远超传统光敏剂（<15%）。循环实验显示材料可重复使用10次无活性衰减。

结论与意义
这项研究开创性地通过多元素掺杂工程重塑石墨烯电子结构，实现"一石三鸟"——CO₂
资源化、生物活性分子合成、辅酶再生三位一体。其创新性体现在：①首次将硒掺杂引入石墨烯光催化体系，通过3d轨道电子增强载流子迁移率；②建立非金属催化NADH再生新路径，摆脱对贵金属的依赖；③开发自由基介导的C-S键构建策略，解决传统硫杂环合成中的区域选择性难题。该工作为发展"人工光合作用工厂"提供了材料基础与技术范式，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。