工业规模的化石能源消耗导致过量CO₂排放，从而加剧了大气中CO₂水平迅速上升和全球变暖。为此，开发高效的人工光合技术高效合成多碳产物对于实现“人工碳循环”具有重要意义。然而，人工光合技术相当复杂，通常涉及多个连续和并行的步骤并涉及多种活性中间体。此外，热力学上有利的C₁产物可以从多种反应中间体中产生，使得选择性生产含有多碳化学品极具挑战。CO₂高效转化为多碳化合物的关键是在完成必要的反应步骤的同时精确调控C-C偶联的活性中间体。

近日，中国科学院上海高等研究院魏伟和陈为研究团队以碳化硅为研究对象，通过外延生长法构建了包括碳化硅（SiC）衬底、界面层(IL)和少层石墨烯覆盖层(Gr)的石墨烯/碳化硅复合催化剂用于光电催化CO₂还原。

纯碳化硅样品上只产生C₁产物，而所有的石墨烯/碳化硅复合催化剂都能够将CO₂转化为醇类，特别是C₂H₅OH。其中最优的石墨烯/碳化硅复合催化剂（h-GS4）唯一液相产物是C2H5OH，产率高达8.5 mmol∙g_cat^-1∙h^-1，选择性超过99%。h-GS4与其他催化剂的区别在于它只形成C₂H₅OH，其特定的石墨烯/碳化硅界面结构似乎是高效C-C耦合的关键。

催化剂h-GS4具有最高比例的界面层和最低比例的石墨烯层、最大的不饱和C-Si键和最高浓度的碳空位。最佳的界面层结构允许来自碳化硅衬底的光生电子轻松地转移到石墨烯覆盖层上的活性位点。然后，由于活性位点上的强吸附和石墨烯表面的高电子密度，反应中间体在可以有效地形成和稳定下来。

特殊界面结构中的碳空位影响了CO的吸附构型，导致了更多*CO中间体吸附模式的出现，即桥式吸附*CO中间体(*CO_bridge)。h-GS4中共存的桥式吸附*CO_bridge和顶部吸附*CO_atop倾向于偶联生成C₂产物，而不是竞争性质子化生成*CHO或从催化剂表面快速解吸生成CO。h-GS4中高浓度的碳空位有利于促进CO₂在光电还原过程中的活化和关键*CO中间体的偶联，从而使CO₂最有效地转化为C₂H₅OH。此外，只有与碳化硅相互作用的Gr界面层(IL)才决定h-GS4催化剂的反应活性。对于IL中C浓度较高的Gr_vac1/SiC_1.25催化剂模型，OC-CO耦合是C₂H₅OH形成的最重要步骤。

最终，开发的由Gr和IL在SiC上组成的新型催化剂，实现了在17.1 mmol∙g_cat⁻¹∙h⁻¹的CO₂转化率和C₂H₅OH选择性> 99%。IL促进了SiC衬底向石墨烯活性位点的光生电子转移，提供了高效的CO₂活化和C-C偶联生成C₂H₅OH。