CO2光催化还原为CH4是实现碳中和的可行途径。聚合物氮化碳(PCN)是迄今为止触发光催化CO2还原的最佳无金属半导体，因为其可见光响应和导电带中光电子的优异还原电位。在PCN上沉积贵金属助催化剂已被证明是提高PCN光催化活性的可靠辅助催化剂，而将贵金属分散为团簇或单原子以最大限度地提高原子效率是解决这该问题的可行策略。基于此，南洋理工大学薛灿和南方科技大学黄立民及王阳刚等首次通过简单的预组装-共沉淀-热解方法成功制备了Ru和Cu原子修饰的PCN光催化剂(PCN-RuCu)。在可见光照射下的光催化CO2还原过程中，所制备的PCN-RuCu样品具有高选择性(95%)CO2光催化还原为CH4的能力，比单独的Ru和Cu修饰的PCN性能高得多，分别是他们的51倍和8.1倍。球面像差校正电子显微镜和扩展X射线吸收精细结构光谱证实了原子分散的Ru-N4和Cu-N3部分为活性位点，它们的共存影响着PCN的电子结构。因此，PCN RuCu光催化剂在可见光照射8小时后显示出95%的CH4生成选择性。
密度泛函理论(DFT)计算表明，Ru原子的dσ轨道构成了PCN-RuCu的最高占据分子轨道(HOMO)，Ru-N4位和Cu-N3位的共存可以有效地调节PCN的电子结构。Ru单原子的加入显著促进了*CO中间体向*CHO的质子化，这使得PCN-RuCu上的速率决定步骤(*CO → *CHO)更容易发生，且Ru和Cu单原子之间的协同作用显著促进了*CO物种的连续加氢过程产生CH4。该研究为光催化CO2还原为CH4的机理提供了新的认识，并为设计用于选择性生产太阳能燃料的光催化剂铺平了新的道路。Synergistic Effect of Ru-N4 Sites and Cu-N3 Sites in Carbon Nitride for Highly Selective Photocatalytic Reduction of CO2 to Methane. Applied Catalysis B: Environmental, 2022. DOI:10.1016/j.apcatb.2022.121154
