💡这项突破是什么?
近日，环境学院王强教授团队联合清华大学段昊泓副教授在光电催化CO2高值转化领域取得研究进展，研究成果以“Ternary Facet Junction Engineered Cu2O Photocathode for Efficient Urea Synthesis via CO2 and NO3⁻ Co-reduction”为题发表于材料科学领域期刊《ACS Energy Letters》（中国科学院一区TOP，IF=18.9）。
在碳中和与资源循环利用背景下，将CO2与含氮污染物协同转化为高附加值化学品被认为是一条实现减污降碳的绿色技术路径。其中，尿素作为重要的氮肥和化工原料，其传统工业合成依赖高温高压条件，能耗高且碳排放显著。因此，发展温和条件下高效合成尿素的新策略具有重要意义。光电催化技术通过耦合太阳能与电能驱动反应，在降低能耗的同时提升反应效率，被认为是实现该目标的理想途径。然而，当前体系仍面临电荷分离效率低和界面反应动力学缓慢等关键瓶颈。
针对上述问题，研究团队创新性地提出“晶面结工程”策略，构建了同时暴露{100}、{110}和{111}晶面的三元晶面结Cu2O多面体光阴极材料。理论计算与实验结果表明，不同晶面之间形成的内建电场可诱导光生载流子定向迁移，实现高效空间分离，从而显著抑制电子–空穴复合。在性能方面，该三元晶面结Cu2O光阴极在CO2与NO3⁻协同还原制尿素反应中表现出15.35 ± 1.52%的法拉第效率和0.97 ± 0.16 mmol·gcat−1·h−1的产率，相较单晶面和双晶面体系实现了显著提升。机理研究表明，晶面结调控的电荷迁移行为促进了关键中间体（如*CO、*NO2及*OCNO）的生成与C–N偶联过程，从而有效提高尿素生成效率。
研究揭示了晶面结在光电催化C–N耦合反应中的重要作用，提出了通过晶面调控实现高效载流子分离的新思路，为CO2与含氮污染物协同资源化利用提供了重要的理论基础和材料设计策略。
图1 不同晶面暴露Cu2O材料
图2 Cu2O光电催化CO2和NO3−共还原合成尿素性能图
论文第一作者为环境学院2025届硕士研究生梁红，通讯作者为李敏副教授、张天雨教授、段昊泓副教授和王强教授。
研究得到了国家自然科学基金（52300125、52225003、22208021）、北京林业大学5·5工程研究与创新团队项目（BLRC2023B04）、中央高校基本科研业务费专项资金（QNTD202506）以及榆林清洁能源创新研究院能源革命科技项目（E411080705）的资助。
