利用阳光从二氧化碳 (CO2 ) 中生产有价值的化学品和燃料，即人工光合作用 (AP) 是实现太阳能储存和负碳循环的有前途的策略。然而，选择性合成具有高 CO2转化率的C2化合物对于当前的 AP 技术仍然具有挑战性。我们在模拟太阳辐射下在石墨烯/碳化硅 (SiC) 催化剂上进行了 CO2光电还原，乙醇 (C2H5 OH) 选择性 > 99%，CO2转化率高达 17.1 mmol g cat−1 h−1个具有持续的性能。实验和理论研究表明最佳界面层可促进光生电子从 SiC 衬底转移到少层石墨烯覆盖层，这也有利于有效的 CO2 到乙醇转化途径。
Fig 1. 合成方案、拉曼光谱和CO2光电催化性能。a) 石墨烯/SiC 复合材料制备示意图。b) 100 nm 立方 SiC (c-S1) 和 200 nm (h-S2)、400 nm (h-S4) 和 800 nm (h-S8) 六方 SiC 以及相应外延生长的石墨烯的拉曼光谱/SiC 复合材料：c-GS1、h-GS2、h-GS4 和 h-GS8。c)裸SiC和石墨烯/SiC样品的CO2光电催化性能比较。
Fig 2. 结构表征。a) 复合催化剂的C 1s能级的XPS光谱。b) 基于 (a) 中 XPS 光谱的 IL/SiC 和 Gr/SiC 的相对强度比。c) NEXAFS 光谱。d) 高分辨率图像。黄色虚线表示晶格边界。e) 复合催化剂的 EPR 光谱。
Fig 3. 检测反应中间体。在不同光照射时间下， CO2和H2O 蒸气混合物在 a) h-S4 和 b) h-GS4 上的共吸附原位 ATR-FTIR 光谱。
Fig 4. DFT研究。a) 在 SiC 衬底上具有 IL 和 Gr 层的石墨烯/SiC 复合催化剂的结构模型。b) 由于 CO 吸附引起的电荷密度差异图，分别显示为累积正电荷和负电荷的黄色和青色等值面。c) 计算的 CO 吸附能与 IL 结构的 Si/C 原子比。d) 计算的 CO 吸附能与 Bader 电荷分析预测的 CO 吸附引起的不饱和 C 位点的电子损失。e) Grvac1 /SiC1.25催化剂模型上 OC−CO 二聚和 CO 加氢的势能面，与 Grvac1 /SiC 催化剂模型相反，这有利于二聚而不是加氢。
相关研究工作由中科院上海高等研究院Wei Chen课题组于2023年在线发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，原文：Highly Selective Photoelectroreduction of Carbon Dioxide to Ethanol over Graphene/Silicon Carbide Composites。