《Materials Today Physics》：Quantum Heterostructured Catalytic Materials for Selective Multi-Carbon Green Products
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量子異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為新型催化材料，通過調(diào)控電子結(jié)構(gòu)、高比表面積和界面電荷動力學，高效活化CO?等碳源生成C2+分子。重點綜述了二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如TMDs、MXenes、MOFs、g-C3N4）的協(xié)同效應，包括缺陷工程增強活性位點、量子計算模型優(yōu)化反應路徑，以及規(guī)模化制造和耐久性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
馬尼莎·夏爾瑪（Manisha Sharma）|迪帕克·庫馬爾（Deepak Kumar）|桑吉塔·舒克拉（Sangeeta Shukla）|勇松·于（Jong-Sung Yu）|魯彭德拉·庫馬爾·夏爾瑪（Rupendra Kumar Sharma）|約根德拉·庫馬爾·米什拉（Yogendra Kumar Mishra）|拉杰·基肖爾·夏爾瑪（Raj Kishore Sharma）|桑杰夫·庫馬爾·夏爾瑪（Sanjeev Kumar Sharma）
生物材料與傳感器實驗室，物理系，查蘭·辛格大學（Ch. Charan Singh University），梅魯特（Meerut）250004，北方邦，印度
摘要
量子異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為下一代催化架構(gòu)已經(jīng)嶄露頭角，能夠高效地生成多種碳基產(chǎn)品，從而推動可持續(xù)能源的發(fā)展。量子限制的電子結(jié)構(gòu)、極高的表面積與體積比以及界面電荷動態(tài)特性使得惰性碳原料（如二氧化碳CO2）能夠被有效激活并轉(zhuǎn)化為高附加值的C2+分子。在成分調(diào)制、缺陷工程和可控晶格耦合方面的最新突破為調(diào)節(jié)結(jié)合能、抑制副反應以及增強多電子轉(zhuǎn)移動力學開辟了新途徑。本文系統(tǒng)地綜述了二維（2D）/三維（3D）催化平臺的進展，包括過渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs）、MXenes、金屬有機框架（MOFs）、碳氮框架（COFs）和新興層狀材料，并重點介紹了將二維表面的化學選擇性與三維支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相結(jié)合的工程化混合界面。文章分析了電輔助、光輔助和生物輔助催化系統(tǒng)的機制原理，重點關(guān)注C-C鍵合效率、中間體穩(wěn)定性和產(chǎn)物分支規(guī)律。同時，也評估了在耐久性、系統(tǒng)級集成、理論不確定性以及可擴展制造方面的關(guān)鍵瓶頸，并提出了實現(xiàn)工業(yè)級碳轉(zhuǎn)化的戰(zhàn)略方向。本文旨在通過原子級精確的催化設計，為將人為產(chǎn)生的碳轉(zhuǎn)化為可持續(xù)燃料和化學品制定一個前瞻性的路線圖。
部分摘錄
動機、戰(zhàn)略需求與科學前沿
人為碳排放的急劇增加以及由此引發(fā)的氣候不穩(wěn)定，迫切需要能夠高效捕獲、激活并將穩(wěn)定的碳基化合物轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品的顛覆性技術(shù)。因此，尋找能夠?qū)⑦@些碳流轉(zhuǎn)化為高價值多碳燃料和大宗化學品的實際催化系統(tǒng)已成為一項重要的戰(zhàn)略任務。
原子級催化劑開發(fā)方法
材料的催化性能本質(zhì)上受其結(jié)構(gòu)幾何形狀、表面配位環(huán)境、缺陷特征以及電子構(gòu)型的控制，而這些因素又受到所采用合成方法的影響（圖4）。制造技術(shù)的進步使得現(xiàn)在可以在納米尺度上精確操控催化劑結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建高活性界面、增強電荷傳輸路徑和穩(wěn)定的反應中心。
通過缺陷工程創(chuàng)建活性位點
通過缺陷驅(qū)動的結(jié)構(gòu)、電子和界面調(diào)制，可以系統(tǒng)地提升納米材料的催化性能，增加活性位點密度，優(yōu)化中間體吸附能量，并改善載流子動態(tài)[54]。諸如產(chǎn)生空位、元素摻雜、調(diào)節(jié)厚度、暴露邊緣以及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)等策略，能夠在協(xié)調(diào)的原子配置下重塑能帶結(jié)構(gòu)，從而促進催化反應。
C-C鍵合路徑的機制藍圖
二氧化碳CO2的轉(zhuǎn)化過程包括一系列表面步驟，如CO2的吸附、活化、質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移，以及關(guān)鍵中間體（如*COOH、*CO、*CHO和*OCHO）的順序形成，最終根據(jù)催化劑特性和表面配位環(huán)境生成C1或C2+產(chǎn)品[230]。然而，在低維催化系統(tǒng)中，這些反應路徑并不僅僅受材料內(nèi)在組成的控制；
二維界面上的碳轉(zhuǎn)化量子建模
量子建模已成為理解和設計二氧化碳CO2轉(zhuǎn)化催化劑的重要工具，它提供了關(guān)于活性位點化學、反應能量和電荷轉(zhuǎn)移過程的原子級洞察。密度泛函理論（DFT）和計算氫電極（CHE）框架等方法能夠定量評估吸附配置、中間體穩(wěn)定性、自由能障礙和過電勢等參數(shù)。挑戰(zhàn)與機遇
盡管在用于二氧化碳CO2電還原的納米結(jié)構(gòu)材料方面取得了進展，但其實際應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中一個主要難題是實現(xiàn)具有可控形態(tài)和結(jié)構(gòu)的二維材料的可擴展和精確合成。強烈的面內(nèi)鍵合、π–π堆疊和庫侖相互作用可能導致材料聚集，從而降低材料質(zhì)量和產(chǎn)率。傳統(tǒng)的合成技術(shù)（如溶劑熱法和液相剝離法）無法滿足這些要求。展望與未來方向
二維材料的快速發(fā)展使其成為二氧化碳CO2還原系統(tǒng)的極具前景的平臺，這得益于其超薄的幾何結(jié)構(gòu)、豐富的活性位點、較短的載流子傳輸距離以及可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)。然而，未來的研究必須超越實驗室規(guī)模的驗證，開發(fā)出在實際條件下可運行的實用、耐用且可擴展的催化系統(tǒng)。實現(xiàn)這一目標需要材料科學領(lǐng)域的協(xié)同進步。總結(jié)
由于工業(yè)化與交通運輸?shù)挠绊懀髿庵卸趸糃O2水平的急劇上升，全球?qū)Ω咝嫁D(zhuǎn)化（CCU）技術(shù)的需求日益迫切。二維材料（包括過渡金屬硫?qū)倩衔颰MDs、MXenes、金屬有機框架MOFs/COFs、磷烯及相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)）因其較高的表面積與體積比、可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)、豐富的活性位點以及較短的電荷傳輸路徑而成為有前景的選擇。
CRediT作者貢獻聲明
拉杰·基肖爾·夏爾瑪（Raj Kishore Sharma）：撰寫與編輯、初稿撰寫、可視化處理、數(shù)據(jù)驗證、調(diào)查分析、概念構(gòu)建。桑杰夫·庫馬爾·夏爾瑪（Sanjeev Kumar Sharma）：撰寫與編輯、初稿撰寫、可視化處理、數(shù)據(jù)驗證、項目監(jiān)督、資源調(diào)配、方法論設計、調(diào)查研究、資金籌措、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)建。桑吉塔·舒克拉（Sangeeta Shukla）：撰寫與編輯、初稿撰寫、可視化處理、資源協(xié)調(diào)。
利益沖突聲明
作者聲明：本研究中未存在任何已知的財務利益沖突或個人關(guān)系影響研究結(jié)果。
數(shù)據(jù)獲取聲明
如需獲取支持本研究結(jié)果的數(shù)據(jù)，可向相應作者提出合理請求。利益沖突聲明
作為這篇題為“用于選擇性多碳綠色產(chǎn)品的量子異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化材料”的綜述文章的唯一通訊作者，我聲明在提交該論文時不存在任何利益沖突。所有作者均已審閱并同意文章內(nèi)容。本文所述的工作此前未在任何其他地方發(fā)表或考慮過發(fā)表。致謝
迪帕克·庫馬爾（Deepak Kumar）衷心感謝CSIR-SRF（09/0113(13402)/2022-EMR-I）對其博士論文工作的支持。SKS感謝高等教育部門、智能材料傳感器研發(fā)計劃；CCS大學（Meerut）以及印度北方邦政府在研發(fā)計劃（Dev./1043/June 29, 2022/41）下的資助，為該項目提供了資金支持。
