化石能源的大量消耗和CO₂排放量的逐年攀升引起了能源危机和温室效应等众多问题。光催化CO₂还原（CO2RR）技术能在常温常压的温和条件下利用太阳光将CO₂转化为化学燃料，有望一举两得地缓解能源危机和温室效应，引起了广泛的研究兴趣。然而，光催化CO₂还原的实际应用仍面临诸多挑战：典型的光催化CO₂还原涉及多质子耦合电子转移过程，光生电子与空穴在迁移过程中复合严重的现象明显阻碍了反应过程；同时，表面反应机理不明确等问题也限制了光催化CO₂还原的进一步发展。破解以上难题，亟需在原子尺度研究电荷转移与表面反应机制，这对表征技术和材料体系提出了更高要求。

在传统块体（bulk）光催化剂中，光生电子辐射复合严重、电子迁移无序度高；而二维（2D）材料具有定向电子转移、活性位点多等优势，2D/2D材料可以构筑充分的接触界面，提升载流子分离效率，因此被认为是电荷转移过程研究的理想模型。与此同时，多尺度原位光谱技术如原位软X射线吸收谱（sXAS）、X射线光电子能谱（XPS）等的发展有利于促进实现光催化CO₂还原的界面电荷转移等反应机理的研究。因此，在2D光催化剂体系中，结合原位光谱技术探究界面电荷转移与表面反应机理有重要的研究意义。

近期，中国科学技术大学鲍骏、朱晓娣、操亨等人，构建了2D/2D FeSe₂/质子化氮化碳（FeSe₂/PCN）异质结构，优化了界面电荷转移动力学，使材料光催化CO₂还原的转化效率提高了4倍，CO选择性接近100%。利用原位XPS（指光照下的XPS）、原位sXAS和飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA），发现FeSe₂在光照下接收光生电子，促使光生电子从PCN组分转移至FeSe₂组分，缓解光生载流子的复合。原位X射线吸收精细结构光谱（XAFS）、原位漫反射红外傅立叶变换光谱（DRIFTS）和密度泛函理论计算（DFT）进一步表明，引入FeSe₂可以显著降低生成CO的关键中间体COOH*的形成能垒，揭示了CO生成速率提升的原因。

该论文以“Visualizing Interfacial Charge Transfer of Two-dimensional Heterostructure Photocatalyst for Efficient CO2 Photoreduction via In Situ Spectroscopies”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

图 1 (a) FeSe₂/PCN制备过程示意图；(b) PCN和(c) FeSe₂纳米片的AFM图像；(d) PCN、FeSe₂和15%FeSe₂/PCN的Zeta电位；(e) 15%FeSe₂/PCN的TEM， (f) EDS，(g) HRTEM图像。

图 2 15%FeSe₂/PCN和PCN的高分辨(a) C 1s和(b) N 1s XPS光谱；15%FeSe₂/PCN和FeSe₂的高分辨(c) Fe 2p和(d) Se 3p XPS光谱。

利用XPS光谱研究了15%FeSe₂/PCN 中FeSe₂与PCN之间的电子相互作用。结果表明，引入FeSe₂纳米片后，15%FeSe₂/PCN 的C和N的价态上升，Fe和Se价态降低，说明在15%FeSe₂/PCN中，电子从PCN组分转移到FeSe₂组分上，两组分间存在电子相互作用，形成了有效的接触界面。

图 3 (a) PCN、10%FeSe₂/PCN、15%FeSe₂/PCN、20%FeSe_2/PCN、30%FeSe₂/PCN和FeSe₂的光催化CO₂还原活性评价结果；(b) 15%FeSe₂/PCN在不同条件下的对照实验；(c) 使用15%FeSe2/PCN 和H₂O光催化还原¹³CO₂和使用H₂¹⁸O光催化还原CO₂后产物的SVUV-PIMS；(d) 15%FeSe₂/PCN的UV-vis-NIR漫反射光谱（黑线）和表观量子产率AQE（橙点）。

图 4 (a) 15%FeSe₂/PCN在黑暗和光照下的原位(a) Fe 2p和(b) Se 3p XPS光谱；PCN和15%FeSe₂/PCN在黑暗和光照下的原位sXAS光谱(c) C K边和(d) Fe L边；PCN、15%FeSe₂/PCN的(e) fs-TA图谱和(f) 515 nm处探测的fs-TA动力学衰减曲线与拟合结果。

图 5 (a) 15%FeSe₂/PCN在黑暗、光照、光照+CO₂和光照+ CO₂+ H₂O条件下的Fe K边原位XAFS光谱。(b) PCN和(c) 15%FeSe₂/PCN光照下的原位DRIFTS光谱。(d) PCN和(e) FeSe₂/PCN在光催化CO₂还原过程的吉布斯自由能变化。(f) PCN和15%FeSe₂/PCN的电子转移和表面反应机理图，其中CR为电荷复合。