阳离子交换反应(CE)是一种绿色、温和的反应方法，可以精确地调控主体材料的结构和组成，同时保持其尺寸和形状(特别是对于金属硫化物、硒化物和碲化物)。CE反应产生的杂化结构通常表现出较高的量子产率、良好的带隙和较长的电子寿命。这种方法为在原子水平上引入外源元素提供了一种强有力的手段，在光电子学、催化、能量存储和转换等领域有着广泛的应用。

然而，由于金属氧化物中的M-O键更强，在室温下与金属氧化物发生相应CE反应的报道很少。虽然较高的温度可以克服CE反应的高能垒，但这种苛刻的条件通常会导致主体材料的溶解。因此，需要开发合适的策略来在金属氧化物本身上削弱或产生配位不饱和M-O键，从而突破CE反应的反应能垒。

近日，中国科学技术大学洪勋和温州大学时茜等在理论计算的指导下，以无定形In₂O₃纳米片(a-In₂O₃ NSs)为主体材料，在室温下与多种客体阳离子进行CE反应。

密度泛函理论(DFT)计算表明，无定形纳米材料中丰富的配位-不饱和金属位点对于突破CE反应的能垒以调控金属氧化物的组成至关重要。实验上，研究人员选择a-In₂O₃ NSs作为主体材料，与一元/多元金属阳离子进行CE反应，获得了高负载量的单原子掺杂(超过10 atom%)催化剂。

结果表明，在光催化CO₂转化为乙醇的反应中，最优的Cu/a-In₂O₃ NSs表现出优异的乙醇生产活性(798.7 μmol g⁻¹ h⁻¹)和选择性(99.5%)；同时，Cu/a-In₂O₃ NSs在光照下连续反应6小时后，没有发生明显的催化剂降解，证明该催化剂具有优异的稳定性。

原位DRIFTS结果显示，在非晶结构中的高负载Cu单原子掺杂有利于吸收和活化CO₂分子，调节材料带隙以提高光吸收能力，改善电荷分离和转移效率，并作为活性中心增强* CO中间体的吸附能力和促进C-C偶联。

综上，该项研究结果表明非晶化诱导策略能够克服传统合成路线在获得高负载量单原子催化剂方面存在的挑战，使得构建具有特定尺寸和形态的新颖结构成为可能，从而具有重要的催化应用。

Amorphization-induced cation exchange in indium oxide nanosheets for CO₂-to-ethanol conversion. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03178