近日，华东师范大学物理与电子科学学院、上海市磁共振重点实验室、医学磁共振与分子影像技术研究院的姚叶锋研究员、王雪璐教授团队在Chemical Engineering Journal期刊发表题为“Interfacial water layer modulation for efficient photocatalytic CO2 reduction”的论文。

图1为论文首页截图

研究团队基于化学交换饱和转移（CEST）、二维同核双量子 - 单量子相关（DQ-SQ）及原位13C 标记 CO2吸附等先进核磁共振（NMR）技术分析，设计开发了铜单原子与磷位点共调控催化剂（Cu-CNP）。该团队通过精准调控催化剂界面水层的氢键网络结构与分子构型，协同强化了 CO2吸附能力与质子迁移效率，最终实现 100% 的 CO 选择性及 4.46 倍的产率提升，为破解光催化CO2还原过程中CO2还原反应（CO2RR）与析氢反应（HER）的动力学竞争难题提供了全新解决方案。

图2. 催化剂表征实验结果

创新点

1.界面水层结构的精准调控与氢键网络重构

传统光催化CO2还原过程中，CO2RR与HER的竞争矛盾突出，导致电子利用率偏低、目标产物选择性不佳。本研究通过构建铜（Cu）单原子与磷（P）位点共调控的催化剂（Cu-CNP），实现了对界面水层结构的分子级精准调控。传统研究多聚焦于催化剂本身的改性优化，却忽略了界面水层在光催化反应中的动态调控作用。Cu-CNP 催化剂通过 P 位点构建异质氢键域，同时 Cu 原子产生的局部静电场可诱导水分子偶极重排，进而将界面水从受限水簇转化为自由水分子，并重构氢键网络结构。这种调控方式不仅优化了质子迁移路径，还显著增强了CO2的吸附能力，通过同步提升CO2富集效率与质子传输效率，从根源上缓解了CO2RR 与 HER 的动力学竞争关系。

图3. 催化剂的核磁谱图

2. NMR技术揭示界面水层动态与反应路径

研究突破传统表征手段的局限，采用化学交换饱和转移（CEST）、二维同核双量子 - 单量子相关（DQ-SQ）核磁共振（NMR）及原位13C 标记CO2吸附 NMR 等先进技术，并结合原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS），在分子水平上明确证实了界面水层结构与催化性能之间的构效关系。研究系统分析了界面水层厚度、氢键相互作用强度、CO2吸附态及反应中间体的动态演变过程，进一步将界面水层的微观结构、质子迁移行为与CO2吸附活化机制紧密关联。

图4. 催化剂光谱与性能

3. 协同调控策略实现CO2吸附与质子传递的双重优化

本研究提出一种通过Cu单原子与P位点协同作用，同步强化CO2吸附与质子传递的创新策略。传统催化剂通常在增强CO2吸附能力的同时，牺牲了质子传递效率，导致反应动力学受到显著限制。在 Cu-CNP 催化剂体系中，P 位点可提升局部电子云密度，进而促进CO2的吸附与活化；而 Cu 位点则通过静电相互作用调控水分子取向，构建有利于质子迁移的弱氢键网络。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实，Cu 位点能够优先吸附水分子，形成厚度适宜的界面水层，同时降低 COOH 中间体的吸附能，从而有效降低 CO 生成的反应能垒。这种 “吸附 - 传递”双功能界面的构建，使 CO 产率提升至 923.8 μmol g-1 h-1，为原始g-C3N4的 4.46 倍，且全程保持 100% 的 CO 选择性。

图5. DFT计算

本工作通过Cu单原子与P位点的协同调控，实现了对催化剂界面水层结构及氢键网络的有效控制。所制备的 Cu-CNP 样品表现出 100% 的 CO 选择性，CO 产率高达 923.8 μmol g-1 h-1。为阐明其构效关系，本研究采用核磁共振（NMR）技术对 Cu-CNP 催化剂的界面水层进行了分析：CEST实验表明 Cu-CNP 催化剂具有优异的CO2吸附能力；双量子-单量子相关（DQ-SQ）NMR、13C 标记 CO2（13CO2）吸附实验及密度泛函理论（DFT）计算结果进一步表明，Cu 位点的引入可有效调控界面水层厚度与氢键网络环境，同步实现CO2吸附强化与质子高效迁移。本研究不仅揭示了界面水层结构对光催化反应的关键调控机制，更为多相催化界面工程提供了新的设计范式，既为高效光催化体系的分子级设计提供了理论指导，也为可再生能源转化技术的创新发展开辟了新路径。

本文第一作者为华东师范大学在读博士生庞靖怡

附文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170446