光催化CO2还原研究的未来前景

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。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），可以完美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[17]： 

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[15]。

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, 18]。 

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[15, 19]。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, 15]： 

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。

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