盡管將CO2光催化還原為高附加值化學品（如CO）為實現碳中和提供了一條可持續路徑，但在傳統塊體光催化劑中，電荷分離效率與活性位點密度的優化仍是重大挑戰。
100%;visibility: visible;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;">2025年10月29日，北京大學深圳研究生院冀豪棟在國際知名期刊Advanced Materials發表題為《Tensile-Strained 2D Bi2Ti2O7 for CO2 Photoconversion》的研究論文，Shuai Gao為論文第一作者，冀豪棟為論文通訊作者。
在本文中，作者研究發現原子級厚度、具有拉伸應變的二維（2D）層狀Bi2Ti16px; line-height: 1.75em;"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"span","attributes":{"mpa-font-style":"mhel02m5221w","style":"font-size: 15px; font-family: mp-quote, -apple-system-font, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;","data-mpa-action-id":"mhel11ly10a9","data-pm-slice":"0 0 []"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"sub","attributes":{"style":"color: #000000;","leaf":","mpa-font-style":"mhel11lqls7"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"}]">2O7納米片（t-BT）在CO2光還原制CO反應中表現出極高效率。
拉伸應變誘導形成的不對稱Bi-Ovac-Ti位點增強了定向電荷傳輸路徑，使光生電子富集于金屬活性位點，實現了高達91.5%的電荷分離效率。
此外，這些不對稱位點可側向吸附CO2分子，產生區別于傳統路易斯酸堿對的電子“推–拉”效應，協同優化*COOH中間體的活化與*C-O鍵的斷裂，從而加速CO2轉化與CO脫附。
值得注意的是，t-BT的CO產率達31.06 μmol g-1 h-1，選擇性接近100%，遠優于未應變塊體材料（0.9 μmol g-1 h-1）。
本研究強調了二維（2D）燒綠石結構中的應變工程，揭示了缺陷–應變協同如何克服光催化劑設計中的傳統權衡問題，推動高效CO2轉化為CO。
圖1：層狀 Bi2Ti2O7 范德華材料的結構表征與應變工程。a,b) b-BT 和 t-BT 的低倍高分辨透射電子顯微鏡圖像。c1,d1) b-BT 和 t-BT 的側視像差校正掃描透射電子顯微鏡圖像及 c2,d2) 對應的晶體結構。插圖顯示了沿 [110] 軸的晶體結構。藍色、橙色和白色球體分別代表 Ti4+、Bi3+和 O 原子。e,f) b-BT 和 t-BT 的掃描透射電子顯微鏡圖像以及基于幾何相位分析確定的相應 εxx（頂部）和 εyy（底部）應變分量。暖色和冷色分別代表拉伸應變和壓縮應變。g) b-BT 和 h) t-BT 的 Rietveld 精修慢掃描 X 射線衍射圖譜。i) 二維（2D） t-BT 的制備及應變產生示意圖。j) Ti 箔、TiO2、b-BT、t-BT 和 r-BT 的歸一化 Ti K 邊 X 射線吸收近邊結構譜。k) Bi 箔、Bi2O3、b-BT、t-BT 和 r-BT 的傅里葉變換 k3 加權 Bi L3 邊擴展 X 射線吸收精細結構譜。l) 表面 Ovac的活性位點，以及 m) （2D） Bi2Ti2O7 的應變與 Ovac 形成能之間的關系。圖2：電子結構分析和光生載流子遷移的動態表征。a) 原胞和 b) r-BT 的能帶結構。c) d-BT 和 d) t-BT 的自旋向上軌道投影能帶結構。e) b-BT、r-BT、d-BT 和 t-BT 的總態密度和投影態密度。f) d-BT 和 t-BT 的自旋電荷密度圖。g) 塊體材料轉變為缺陷誘導的拉伸應變二維材料過程中的能帶結構演化，包括具有不同 Ti-O 鍵構型的晶體場的自旋電子構型圖。h) Ovac 和晶格應變對烏爾巴赫拖尾和帶隙能量影響的示意圖。i) 烏爾巴赫能量圖，j) 時間分辨瞬態光致發光衰減曲線，k) 歸一化內建電場，以及 l) b-BT、t-BT 和 r-BT 的光生電子壽命（基于暗場開路電壓衰減計算）。圖3：CO2還原反應活性與穩定性。a) CO 和 b) CH4 在 b-BT、t-BT 和 r-BT 催化下隨時間的變化趨勢。c) b-BT、t-BT和r-BT的光催化CO（頂部）和 CH4（底部）釋放速率，d) CO和CH4的選擇性。e) 表觀量子產率和 f) 使用 t-BT 進行的同位素 CO2 實驗（插圖顯示了相應的質譜圖）。圖4：CO2在催化劑表面的吸附與活化機理。a) b-BT、t-BT 和 r-BT 的 CO2程序升溫脫附熱譜圖。b) 在黑暗條件下，CO2和 H2O 在 t-BT 上吸附時記錄的原位漫反射傅里葉變換紅外光譜。c) 在黑暗條件下 CO2吸附過程中記錄的 b-BT、r-BT 和 t-BT 的 c) Bi 4f 和 d) Ti 2p 的原位近常壓 X 射線光電子能譜。e) CO2在 d-BT 和 t-BT 上吸附的差分電荷密度，包括吸附能、巴德電荷、鍵長和鍵角。f) t-BT 在 CO2 吸附前后的 Bi p 軌道和 g) Ti d 軌道的投影態密度。h) 通過橋接在 Bi-Ovac-Ti 位點上的 CO2吸附的俯視圖和側視圖，用于研究分子軌道相互作用。i–k) 在真空條件下以及在 d-BT 和 t-BT 上吸附時，C-OA 和 C-OB鍵的原子軌道與 CO2相互作用的 –pCOHP 和 –ICOHP。l) 在真空條件下和在 t-BT 上吸附時，C-OA和 C-OB鍵的原子軌道與 CO2 相互作用的 –ICOHP。m) CO2吸附在 Bi–Ovac–Ti 位點時，C-OA和 C-OB鍵之間分子軌道相互作用的示意圖。圖5：機理研究。a) d-BT 和 b) t-BT 中，CO2在 Bi–Ovac–Ti 位點吸附后 Ti–OB和 Bi–C 鍵相互作用的 –pCOHP 和 –ICOHP 值。c) Ti 3d–OB 2p、Bi 6p–C 2s 和 Bi 6p–C 2p 軌道相互作用的示意圖。d) Bi 和 Ti 原子對 CO2還原反應影響的示意圖。e) 在 t-BT 上進行光催化 CO2還原反應時，在 2500–1100 cm-1范圍內記錄的原位漫反射傅里葉變換紅外光譜。f) 在 b-BT、r-BT 和 d-BT 上，CO2光還原為 CO 過程中羧化路徑各中間態的吉布斯自由能圖。g) 在 d-BT 和 t-BT 上，CO2光還原為 CO 過程中解離路徑各中間態的吉布斯自由能圖。h) CO2光還原為 CO 過程中羧化路徑和解離路徑的示意圖。綜上，作者通過水熱法成功構筑了具有拉伸應變的原子級薄層Bi2Ti2O7（t-BT）二維光催化劑，實現了高效、高選擇性的CO2光還原制CO。該材料通過引入不對稱的Bi–Ovac–Ti活性位點，誘導產生約0.5%的拉伸應變，顯著增強了光生電荷的定向遷移與分離效率（達91.5%），并通過獨特的“推–拉”電子機制有效促進了CO2的吸附、活化及C═O鍵斷裂。實驗與理論計算共同表明，該機制突破了傳統路易斯酸堿對的限制，使CO2在Bi端接受電子極化、在Ti端實現電子注入，從而協同降低反應能壘，實現CO產率高達31.06 μmol g-1 h-1，選擇性接近100%，較塊體材料提升34.5倍。該應變-缺陷協同調控策略為二維（2D）光催化劑的設計提供了新范式，不僅適用于Bi2Ti2O7體系，還可拓展至其他層狀氧化物、鈣鈦礦或硫族化合物中，實現針對不同反應路徑的精確調控。Tensile-Strained 2D Bi2Ti2O7 for CO2 Photoconversion. Adv. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202516152.
