近日，固态光电与能源材料团队在金属卤化物纳米晶光催化二氧化碳还原的研究上取得进展，相关成果以“Solar-Driven CO₂-to-CH₄ Conversion Enabled by Fe Tetrahedra in Cs₃FeCl₅”为题在ACS Energy Lett.上发表。《ACS Energy Letters》是美国化学会（ACS）出版社旗下的旗舰期刊，最新影响因子18.2。

光催化CO₂还原制备高附加值燃料是实现碳中和目标的重要途径之一。近年来，铅基金属卤化物纳米晶因其优异的光电性能与结构可调性，在该领域受到广泛关注。然而，铅的毒性限制了其在实践中的应用，且其典型的[PbX₆]⁴⁻八面体结构中Pb²⁺与CO₂相互作用较弱，导致CO₂活化不足，产物以CO为主，难以实现深度还原。采用Fe²⁺、Mn²⁺等磁性阳离子替代Pb²⁺，不仅能降低环境毒性，还可引入自旋极化效应，促进光生电荷的分离与传输。此外，与传统八面体配位相比，四面体配位的过渡金属位点具有反转的轨道能级分裂，其高能t₂轨道能与CO₂的2π*轨道形成更强耦合，有利于电子注入并稳定反应中间体。因此，四面体配位的过渡金属卤化物钙钛矿材料被视为实现高效CO₂光还原的理想平台。

图1 Cs₃FeCl₅纳米晶光催化二氧化碳甲烷化示意图

根据以上思考，团队采用配位结构调控与自旋极化协同的策略，设计并合成了无铅Cs₃FeCl₅纳米晶，用于可见光驱动的CO₂还原。实验与理论计算均表明，该材料具有本征自旋极化特性，可有效抑制载流子复合；同时，其四配位Fe²⁺中心通过强d–p轨道耦合与CO₂发生相互作用，显著降低活化能并稳定*COOH关键中间体，从而促进CH₄生成。在模拟太阳光下，Cs₃FeCl₅纳米晶实现了接近100%的CH₄选择性，CO₂至CH₄的光催化产率达到2.88 mmol g⁻¹ h⁻¹，性能优于目前大多数已报道的单组分光催化剂。

我院2023级博士生郑昊为论文的第一作者，尹金麟博士、王靳副教授和李正全教授为论文共同通讯作者，浙师大为通讯作者单位。

上述工作得到了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、先进催化材料教育部重点实验室、全省先进催化与吸附材料重点实验室、金华市重大项目和浙江光电子研究院等的支持。（论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c03199）