Significant Enhancement of Photothermal‐Assisted Broad‐Spectrum CH 4 Photosynthesis from CO 2 and H 2 O Through Heterojunction and Cocatalyst Engineering on Metallic TiN

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作者
Fengying Cao,Zhixin Fan,Yilin Cai,Yiran Zhu,Liyan Xie,Shuxian Zhong,Leihong Zhao,Song Bai
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (11) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/adfm.202513733
摘要

Abstract Metallic materials are promising photocatalysts due to their high carrier concentrations, exceptional photothermal properties, and wide light absorption spectra. However, their practical applications in CO 2 methanation are hindered by severe charge recombination and unfavorable redox sites, which limit the ability to manipulate C 1 intermediate binding strengths and generate ample electrons and protons for successive hydrogenation and deoxygenation. Herein, it is demonstrated that the CO 2 ‐to‐CH 4 conversion efficiency of metallic TiN can be dramatically improved through heterojunction formation with Fe 2 O 3 substrate and coating with Ni x Cu 1−x (OH) 2 bifunctional cocatalysts. Mechanistic studies reveal that Ohmic contact between TiN and Fe 2 O 3 facilitates barrier‐free transfer of electrons and holes to their respective Ni x Cu 1−x (OH) 2 overlayers for CO 2 reduction and H 2 O oxidation. The Ni x Cu 1−x (OH) 2 wrapping raises photothermal utilization of TiN, accelerating charge separation and activation of CO 2 and H 2 O. Additionally, Ni─Cu synergy reduces energy barriers for both redox reactions and promotes successive *CO protonation over desorption. Consequently, the optimal catalyst achieves a CH 4 yield of 260.3 µmol g cat −1 h −1 , 329.5 times higher than pristine TiN, outperforming all reported metallic photocatalysts, with an apparent quantum efficiency of 2.0% at 808 nm—the highest among reported infrared‐responsive photocatalysts. This work delivers a feasible strategy to advance the efficiencies of metallic photocatalysts.
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