光催化co2还原实验研究的前景和优势-凯发旗舰厅

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随着人口和工业化程度的快速增长，全球能源供应急剧增加。据估计，截止到2021年全球能源消耗总量约为600 ej (10¹⁸ j)，其中超过80%的能源供应来自于化石燃料^[1]。而化石燃料的使用会引起严重的co₂排放。

最新统计数据表明，大气中的co₂含量从工业革命前的280 ppm上升到2020年的416 ppm（图1）^[2]。co₂的过量排放会带来全球变暖、冰川融化、生物多样性丧失等一系列问题^{[3, 4]}。因此，co2的转化利用已经迫在眉睫。

图1. 1958年至今全球co₂排放量^[2].

迄今为止，已经发展了多种技术可将co₂转化为碳氢化合物或高附加值化学品，主要包括热催化^[5,6]、生物催化^[7]、光电催化^{[8, 9]}、电催化^{[10, 11]}和光催化还原^[12-14]等。

在这些方法中，光催化co₂还原过程模拟自然光合作用，利用太阳能和光催化剂将co₂和h₂o进行催化转化（亦称人工光合作用），可以很好的实现太阳能燃料和高价值化学品的生产，如：甲醇、乙醇、碳氢化合物等^{[15, 16]}，如图2所示。因此，光催化co₂还原也被认为是解决全球能源和环境问题的最有前途的方案之一。

近年来，光催化co₂还原的相关研究日渐增多。相比于传统热催化方法，光催化co₂还原反应具有如下四大优势^[17]： 

①光催化co₂还原反应外部能量供应仅为太阳能，取之不尽用之不竭； 

②光催化co₂还原反应中的产物以h₂o和co₂为反应原料，易于获取； 

③光催化co₂还原反应条件温和，一般为常温、常压； 

④光催化co₂还原反应无二次污染。

图2. a自然光合作用，b人工光合成（光催化co₂还原反应）示意图^[16].

光催化co₂还原反应是一个复杂的多步过程。一般情况下，光催化co₂还原反应过程主要涉及如下三个步骤^[18]： 

①半导体光催化剂受到能量大于其禁带宽度（eg）的光激发； 

②光生电子和光生空穴的分离； 

③光生电子迁移到光催化剂表面与co₂和h 发生反应并形成还原产物，光生空穴与h₂o发生氧化反应产生o₂。 

整个光催化co₂还原反应过程可以在纯气相中发生，也可在溶液体系中发生^[16]。

图3. 光催化co₂还原示意图.^[17].

目前，光催化co₂还原反应的产物主要包括：c₁类产物（co、ch₄、ch₃oh、hcooh）和c₂类产物（c₂h₄、c₂h₆、c₃h₆、c₂h₅oh等）。 

在化工领域中，光催化co₂还原反应的产物分别具有不同的作用^{[1, 19]}。 

①co主要可被用作费托合成反应的原料气，用于生产高碳类化学品； 

②ch₄是天然气的主要成分，同时也可被用于co₂的重整反应； 

③液态产物ch₃oh和hcooh主要可被用于燃料电池，ch₃oh也可作汽油的添加剂； 

④乙烯主要用于聚乙烯和乙二醇的生产，乙烷用于制备乙烯。乙醇主要应用于化学溶剂、医疗和燃料中； 

⑤乙二醇用于聚乙烯对苯二甲酸酯（涤纶的原料）的生产。 

co₂的c=o键能高达750 kj·mol^-1，其线性对称分子结构使其不易被活化^{[16, 20]}。因此，在热力学上，co₂的活化需要高能输入。受制于转化效率和选择性问题，目前的光催化co₂还原研究仍处于实验室阶段。 

现阶段光催化co₂反应主要面临以下几方面挑战^{[3, 16]}： 

①光催化co₂还原反应所使用的催化剂有限的光吸收能力； 

②光催化co₂还原反应中严重的光生载流子复合； 

③co₂难于吸附活化； 

④与光催化co₂还原反应发生竞争的光催化析氢反应需被有效抑制； 

⑤光催化剂的稳定性有待提升； 

 ⑥待开发简便的光催化co₂还原反应催化剂合成工艺； 

⑦缺乏大量关于光催化co₂还原反应的机理研究，还原产物的选择性难于调控。 

针对以上问题，一方面可以通过设计合成高效催化剂提升光催化co₂还原反应的转化效率和提高目标产物的选择性，另一方面，泊菲莱科技期望与各位专家朋友们进行交流和深入合作，开发设计合理的反应器，通过优化光催化co₂还原反应工艺，积极推动光催化co₂还原反应的相关研究。

[1]lin huiwen, zhang huabin*, ye jinhua* et. al., toward solar-driven carbon recycling[j]. joule, 2022, 6, 1-21. 

[2]r. keeling, scripps institution of oceanography. scrippsco2.ucsd. edu/, 2022. 

[3]gong eunhee, ali shahzad, in su-il* et. al., solar fuels: research and development strategies to accelerate photocatalytic co₂ conversion into hydrocarbon fuels[j]. energy environmental science, 2022. doi: 10.1039/d1ee0271 

[4]wang wan-hui*, himeda yuichiro*, fujita etsuko* et. al., co₂ hydrogenation to formate and methanol as an alternative to photo- and electrochemical co₂ reduction[j]. chemical reviews, 2015, 115, 12936−12973. 

[5]rui ning, rodriguez josé a.*, liu chang-jun* et. al., hydrogenation of co₂ to methanol on a auδ -in₂o_3–x catalyst[j]. acs catalysis, 2020, 10, 11307-11317. 

[6]hu jingting, wang ye*, deng dehui* et. al., sulfur vacancy-rich mos₂ as a catalyst for the hydrogenation of co₂ to methanol[j]. nature catalysis, 2021, 4, 242-250. 

[7]gong fuyu, zhang yanping* et. al., li yin*, biological carbon fixation: from natural to synthetic[j]. journal of co₂ utilization, 2018, 28, 221-227. 

[8]dong wan jae, lee jong-lam*, zetian mi*, et. al., silver halide catalysts on gan nanowires/si heterojunction photocathodes for co₂ reduction to syngas at high current density[j]. acs catalysis, 2022, 12, 2671-2680. 

[9]qin yin, hu liuyong*, gu wenling*, et. al., iron single-atom catalysts boost photoelectrochemical detection by integrating interfacial oxygen reduction and enzyme-mimicking activity[j]. acs nano, 2022. doi: 10.1021/acsnano.1c10303. 

[10]liu shuai, chen yu*, liu xijun*, et. al., coordination environment engineering to boost electrocatalytic co₂ reduction performance by introducing boron into single-fe-atomic catalyst[j]. chemial engineering journal, 2022. doi: 10.1016/j.cej.2022.135294. 

[11]luc wesley, chen jingguang g.*, jiao feng* et. al., so₂-induced selectivity change in co₂ electroreduction[j]. journal of the american chemical society, 2019, 141, 9902-9909. 

[12]liu qiong, xiang zhangmin*, wang fuxian*, et. al., regulating the *occho intermediate pathway towards highly selective photocatalytic co₂ reduction to ch₃cho over locally crystallized carbon nitride[j]. energy environmental science, 2022, 15, 225. 

[13]li fang, yue xiaoyang, xiang quanjun*, et. al., targeted regulation of exciton dissociation in graphitic carbon nitride by vacancy modification for efficient photocatalytic co₂ reduction[j]. applied catalysis b: environmental, 2021, 292, 120179. 

[14]hao jingxuan, min yulin*, li hexing*, et. al., utilizing new metal phase nanocomposites deep photocatalytic conversion of co₂ to c₂h₄[j]. chemical engineering journal, 2021, 423, 130190. 

[15]shen huidong, peppel tim*, sun zhenyu*, et. al., photocatalytic reduction of co₂ by metal-free-based materials: recent advances and future perspective[j]. solar rrl 2020, 4, 1900546. 

[16]li xin, yu jiaguo*, jaroniec mietek* et. al., cocatalysts for selective photoreduction of co₂ into solar fuels[j]. chemical reviews, 2019, 119, 3962-4179. 

[17]fu junwei, yu jiaguo*, liu min*, et. al., product selectivity of photocatalytic co₂ reduction reactions[j]. materials today, 2020, 32, 222-243. 

[18]albero josep, peng yong, garcía hermenegildo*, et. al., photocatalytic co₂ reduction to c²  products[j]. acs catalysis, 2020, 10, 5734−5749. 

[19]liu lizhen, huang hongwei*, ma tianyi*, et. al., surface sites engineering on semiconductors to boost photocatalytic co₂ reduction[j]. nano energy, 2020, 75, 104959.

以上部分是笔者根据参考文献进行翻译和汇总，笔者水平有限，如有错误，请大家指正！