近日，研究者将强光吸收的Si、优异电荷输运特性的GaN纳米线和高活性的Au电催化剂系统集成，并通过引入TiO₂纳米薄层作为钝化层对表面进行强化处理，大幅增强了CO₂还原制合成气(CO和H₂的混合物)的表面反应动力学，高效地耦合匹配了载流子传递过程，实现了太阳能光电催化转化CO₂制合成气高达2.3%的能量转化效率，为目前光阴极体系报道的世界记录值。

图1. 光阴极还原CO₂制合成气示意图。

另外，研究者发现大尺寸的Au纳米颗粒更有利于CO产物的生成，并且调控Au纳米颗粒的尺寸大小可大范围地控制CO₂还原得到不同组成的合成气产物（CO/H₂的摩尔比从1:11到1:1，图2a），从而满足不同实际应用的需求。作者通过理论建模构筑了不同尺寸的Au纳米颗粒，低配位的位点（边或角）所占的比例随着Au纳米颗粒的增大而逐渐降低（图2b）。并且，通过理论模型对比计算了面边角的反应吉布斯自由能，认为面位点和低配位位点分别是生成CO和H₂产物的活性位。本研究为合理设计高效高选择性CO₂还原的光阴极提供了范例和借鉴。

图2. (a) Au纳米颗粒尺寸大小对合成气产物比例的影响；(b)不同尺寸Au纳米颗粒的表面位点分布。

本文以“Efficient photoelectrochemical conversion of CO₂ to syngas by photocathode engineering”为题发表在Green Energy & Environment期刊，第一作者为东南大学能源与环境学院储升博士，共同第一作者为Pengfei Ou博士和Roksana Tonny Rashid博士，通讯作者为密歇根大学米泽田教授和麦吉尔大学宋俊教授。