光催化CO₂还原为高附加值乙烯是应对能源危机和全球变暖的理想策略。然而，CO₂还原产物复杂多样，且以一碳产物（如一氧化碳、甲烷）为主，而高附加值的二碳产物如乙烯的选择性远低于50%。

针对以上问题，西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室张锦英教授团队成功制备了硒原子替代的一维锯齿状磷同素异形体并实现了高选择性光还原CO₂制乙烯。通过熔融硒法成功合成出由硒掺杂的锯齿状走向的一维磷组成的单晶结构，通过单晶X射线衍射技术解析了其晶体结构为P_18.56Se_1.44（Pnma，CSD-2348033)），并结合所有可能的原子替代结构的热力学稳定性相图计算精确解析了其中硒原子的替代模式。研究发现P_18.56Se_1.44的富硒晶面（-10-1）能够显著增强CO₂吸附和C-C偶联以获得C₂H₄，在不使用空穴牺牲剂的情况下产率为18.0 μmol g^-1 h^-1（C₂H₄的电子选择性为97.0%），高于目前报道的绝大多数光催化剂。结合原位漫反射红外傅里叶变换、原位X射线光电子能谱、CO还原实验和密度泛函理论计算等方法，发现光电子能有效地从硒和银助催化剂转移到磷，证实了P_18.56Se_1.44的电子局域化效应在促进CO₂吸附与碳-碳耦合中的作用。

该研究解决了CO₂还原过程中碳-碳耦合困难易形成一碳产物的问题，也对P_18.56Se_1.44的晶体结构进行了精确解析并揭示了其高C₂H₄选择性的机理，为提高CO₂光还原为C₂产物的选择性提供了新思路。

上述研究成果以《一维磷结构（-10-1）晶面上的硒原子替代显著增强CO₂吸附及C-C偶联》（“Selenium Single Atom in One Dimensional Phosphorus Allotrope Lattice with (-10-1) Plane to Significantly Enhance CO₂ Adsorption and C-C Coupling”）为题发表在催化领域顶级期刊《ACS 催化》（ACS Catalysis）上。论文第一作者为西安交通大学电气学院博士生翟锐，通讯作者为西安交通大学电气学院张锦英教授、王振宇博士和澳大利亚阿德莱德大学Shaobin Wang教授，该工作由国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费自由探索专项资金、电气绝缘与电力设备国家重点实验室基金、陕西省自然科学基础研究计划、中央高校基础研究基金支持，也得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03854