利用太陽能將二氧化碳(CO₂)直接轉化為高附加值的化學品是解決能源和環境危機最有前景的途徑之一。然而，太陽能還原CO₂動力學緩慢，并且由于反應過程涉及多步質子偶合電子轉移反應途徑，需要較大的還原電位。因此，削弱競爭性水還原是提高CO₂轉化效率和選擇性的理論上可行的方法。同時，局部高CO₂濃度和良好的CO₂捕獲能力對CO₂在光催化劑表面的擴散和吸附動力學至關重要。在競爭吸附中，CO₂分子處于不利地位，因為它們的吸附和活化受到親水表面上富集的水分子的阻礙。

由于擴散和吸附動力學緩慢，CO₂供給速率低，導致轉化率低，而光生電子的積累導致電荷快速復合。有研究表明，疏水表面不僅克服了CO₂的傳質限制，增加了表面CO₂濃度，而且抑制了H₂O的吸附。此外，在光催化反應中，H₂O的氧化反應同樣影響CO₂的轉化效率，因此水的氧化問題同樣值得注意。

近日，華南理工大學彭新文課題組提出了一種解決CO₂和H₂O之間競爭吸附問題的策略。具體而言，受磷脂的啟發，研究人員將疏水性Bi₂WO₆與親水性C₃N₄偶聯，形成了一個兩親性異質結。與傳統異質結相比，疏水-親水雙相異質結不僅抑制了電荷載流子的復合，更重要的是促進了CO₂和H₂O的吸附和傳質，提高了反應速率。

實驗結果表明，在光照下，最優的BWO-CN-100(BWO-CN)的CO和CH₄產率分別為25.54和7.69 μmol h^-1 g^-1，遠高于純的BWO(4.82和0.8 μmol h^-1 g^-1)和CN(1.43和0.2 μmol h^-1 g^-1)；并且，在365 nm處，BWO-CN的表觀量子產率(AQY)高達3.3%。此外，BWO-CN還表現出優異的循環穩定性，其在20小時內產物(CO，CH₄和O₂)的產率輕微下降，反應后材料的結構和形貌變化不大。

原位光譜表征揭示了兩親性異質結的光催化CO₂還原機理：H₂O在親水表面的吸附比CO₂更有利，導致親水表面的CO₂濃度較低；相反，疏水表面促進了CO₂的富集。BWO-CN選擇性地控制了疏水-親水兩相中CO₂和H₂O的吸附，從而為連續的光催化氧化還原反應提供了強大的驅動力。

同時，II型異質結中合適的帶隙位置產生了合適的電荷轉移方向(電子從親水性CN轉移到疏水性BWO，空穴從BWO轉移到CN)，因此，疏水性的BWO增強了對CO₂的吸附并接受光生電子進行CO₂還原，而親水性的CN自發地吸附H₂O并產生空穴進行H₂O氧化。值得注意的是，還原和氧化反應位點的分離也極大地抑制了電子-空穴復合，進一步促進催化劑實現高效、穩定的光催化還原CO₂為CO和CH₄。

Engineering a hydrophobic–hydrophilic diphase in a Bi₂WO₆–C₃N₄ heterojunction for solar-powered CO₂ reduction. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c03983