光催化CO₂还原合成高附加值的碳氢燃料是缓解温室效应和能源危机，实现碳中和的一种有前景的策略。由于该过程涉及多电子转移过程，光催化CO₂还原合成碳氢燃料面临产物活性和选择性的双重难题。近年来，单原子催化剂已经广泛应用在光催化CO₂还原领域。然而，受光生载流子分离效率和金属活性位点对反应中间体的吸附强度等因素的限制，单原子光催化CO₂还原产物（尤其是CH₄等碳氢燃料）的活性和选择性仍有较大的提升空间。

近日，山东大学黄柏标教授、程合锋教授团队与中国科学技术大学宋礼教授团队合作，通过一种配体交换的策略成功地将具有低配位结构的Au单原子（Au₁-S₂）锚定在超薄硫铟锌（ZIS）纳米片表面（Au₁/ZIS），并将其应用于光催化CO₂还原研究。

在可见光照射下，以联吡啶钌作为光敏化剂，所制备的Au₁ /ZIS光催化CO₂还原生成CH₄的速率可以达到275 μmol g^–1 h^–1，比纯ZIS纳米片和修饰有Au纳米颗粒的ZIS纳米片（Au_NPs/ZIS）分别提高了21.2和2.1倍；同时，Au₁/ZIS催化剂对CH₄产物的选择性可以高达77%，远高于ZIS（12.3%）和Au_NPs/ZIS（42.3%）催化剂。

通过具体的实验表征发现，Au单原子引入不仅可以为CO₂还原提供丰富的活性位点，显著提高Au原子的利用率。同时，Au单原子相较于Au纳米颗粒可以更有效促进光生载流子的分离效率，从而提高光催化CO₂反应的效率。进一步的原位红外光谱结合理论计算表明，具有低配位结构的Au₁/ZIS催化剂可以有效活化CO₂分子，稳定*CO中间体，使其进一步质子化生成CH₄。此外，其还能够显著降低CO₂还原生成CH₄过程的能量势垒。该工作不仅为制备具有低配位结构的单金属原子催化剂提供了新的思路，也为单原子光催化剂通过选择性人工光合成制备目标产物开辟了新的途径。