近年来，通过太阳辐照来获得有用的化学物质以应对温室效应引起了人们的极大兴趣。与无机金属氧化物颗粒相比，石墨烯等碳质材料的吸光性优异；然而，由于难以控制带隙和优化驱动光还原过程的电子-空穴分离，它们缺乏活性和选择性。在这项工作中，受精细的天然植物叶片结构的启发，我们制造了有序堆叠的石墨烯纳米气泡阵列，其中含有氮掺杂剂，用于配位贵金属原子，以模拟植物叶片中的自然光还原过程。这种石墨烯超材料不仅模仿叶细胞的光学结构，有效地散射和吸收光，而且像植物中的叶绿素一样，通过氮配位的金属原子驱动CO₂还原。表征表明，氮掺杂石墨烯的带隙可以通过在掺杂位点上用不同的贵金属原子取代来精确定制。贵原子配位在石墨烯超材料的掺杂位点上，不仅扩大了光吸收体积，而且最大限度地提高了贵金属的利用率。与 Au 原子配位的仿生光学叶片超材料表现出高达 11.14 mmol g cat^–1 h^–1的高 CO 产率和 95% 的选择性，是迄今为止报道的碳质和金属基催化剂中最好的催化剂之一。这种催化剂在低温下也保持高性能，表明这种仿生催化剂在极地地区减少温室气体的潜在应用。 
 
Figure 1. (A) 植物叶片中的光吸收和由叶绿素分子诱导的光还原示意图，其中金属原子与氮配位。(B, C) 具有仿生巨型结构的石墨烯纳米气泡可以像植物叶子一样衍射和吸收光。吸收的光可以触发氮配位金属位点的光还原。(D) 贵金属原子配位在石墨烯纳米气泡中的氮掺杂位点和可见光下CO₂的光还原。(E) 在低温区域（如南极和北极）使用超材料的蓝图，这些区域就像植物一样可以减少由太阳辐射驱动的CO₂ 。
  
Figure 2. (A–C) 激光诱导 NGNM 样品的 SEM 图像。NGNM 的层次结构有利于光还原的光收集。(D-F) Au-NGNM 样品的 TEM 图像。可以观察到跨越 Au-NGNM 主链的均匀石墨烯纳米气泡和孤立的 Au 原子。 
 
Figure 3. (A) Au-NGNM 和 NGNM 的 PXRD 模式。(B) Au-NGNM 的 N ₂吸收等温线。(C) Au-NGNM 中 Au 4f 的 XPS 光谱。(D) 在 5 W 激光功率下获得的 NGNM 拉曼光谱。 
 
Figure 4. (A) Au L₃边缘的归一化 XANES 光谱。(B) EXAFS 光谱的 k3 加权傅里叶变换幅度。(C) R 空间中 Au L₃边缘 EXAFS 光谱的傅里叶变换幅度。(D) k3 加权信号的 WT。 
 
Figure 5. (A) NGNM 与不同贵金属原子配位的紫外-可见吸收光谱。(B) 合成样品的瞬态光电流响应的比较。(C) 制备样品的 EIS 奈奎斯特图。(D) Au-NGNM 催化剂在光催化条件下的原位FTIR 光谱。从下到上以 5 分钟的间隔记录每个图。 
 
Figure 6. (A-C)在 M-NGNM 上将CO ₂光催化还原为 CO。(D, E)金属单原子负载量下M-NGNM上CO ₂的光催化还原性能。(F) Au-NGNM 36 h循环光催化CO ₂还原性能。 
 
Figure 7. (A) 累积 CO ₂产量和 (B) M-NGNM 在 -5 ℃的低温下测量的选择性。(C) Au-NGNM 超材料与其他由碳质金属和原子金属制成的催化剂的性能比较。
  
Figure 8. (A) 光催化 CO ₂还原的计算自由能。(B) Au-NGNM 的状态密度。(C) 遵循反应能量分布的物种配置。
  
      相关研究工作普渡大学Gary J. Cheng和武汉大学Haoqing Jiang课题组于2022年在线发表于《ACS NANO》期刊上，原文：Bionic Optical Leaf for Photoreduction of CO2 from Noble Metal Atom Mediated Graphene Nanobubble Arrays。

转自《石墨烯研究》公众号