単原子Cu-TiO₂光触媒によるCO₂→CO変換機構を解明(Study Reveals How Single-Atom Cu-TiO2 Photocatalysts Promote CO2-to-CO Conversion)

2026-07-22 中国科学院(CAS)

中国科学院(CAS)蘭州化学物理研究所(LICP)の畢英璞教授らの研究チームは、単一原子Cu-TiO₂光触媒において、光照射下でCu単一原子と隣接するTi活性点が協調してCO₂をCOへ高効率で還元する仕組みを解明した。研究では、その場X線光電子分光法(XPS)と赤外分光法を組み合わせ、CO₂およびH₂O分子の表面活性点での動的相互作用を解析した。その結果、単一原子CuサイトではH₂Oの吸着と電子注入が促進され、これにより隣接するTiサイトでCO₂の吸着・活性化が効率的に進行することが判明した。このCu-Ti協調触媒作用により、CO₂からCOへの光還元活性は161.1 μmol g⁻¹ h⁻¹に達し、未修飾TiO₂(31.8 μmol g⁻¹ h⁻¹)の約5倍に向上した。本研究は、単一原子触媒の活性を静的構造のみで説明する従来の考え方を見直し、光触媒によるCO₂資源化や人工光合成技術の高性能触媒設計に新たな指針を与える成果である。

単原子Cu-TiO₂光触媒によるCO₂→CO変換機構を解明(Study Reveals How Single-Atom Cu-TiO2 Photocatalysts Promote CO2-to-CO Conversion)
Schematic illustration of the photocatalytic process of CO2 reduction over the Cu-TiO2 catalysts. (Image by LICP)

<関連情報>

CO2光還元用単原子Cu-TiO2触媒における予期せぬ活性部位 Unexpected active sites in single-atom Cu-TiO2 catalysts for CO2 photoreduction

Kangkang Wang ∙ Yajun Zhang ∙ Guojun Dong ∙ Yingpu Bi
Chem Catalysis  Published:July 22, 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.checat.2026.101801

Highlights

  • In situ XPS reveals active sites and dynamic catalysis in Cu-TiO2 for CO2 reduction
  • H2O adsorption on Cu sites promotes CO2 adsorption/activation on surface Ti sites
  • The synergy of Cu and adjacent Ti sites boosts CO2-to-CO conversion efficiency
  • This work provides new insights into constructing efficient single-atom catalysts

Summary

Cu single-atom catalysts exhibit great potential for CO2 reduction, but their intrinsic roles under realistic conditions remain debated. Herein, we present compelling evidence elucidating the active sites of Cu-TiO2 single-atom catalysts for CO2 photoreduction with H2O. In situ X-ray photoelectron and infrared spectroscopy reveal that H2O molecules adsorbed at Cu sites inject electrons to induce low valence states, thereby promoting CO2 adsorption on adjacent Ti sites and driving them toward high oxidation states. Under illumination, the CO2 molecules on Ti sites transformed into ∗COOH and CO∗ intermediates, while the H2O molecules dissociated into the OH group on Cu sites to produce protons and electrons. Accordingly, their cooperative catalysis remarkably enhances CO2-to-CO conversion activity (161.1 μmol g−1 h−1), far exceeding that of pristine TiO2 (31.8 μmol g−1 h−1). These findings challenge the conventional speculations on single-atom Cu catalysts and provide new insights for the re-evaluation of static structure-activity models.

0505化学装置及び設備
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