二氧化碳還原轉化

劉志敏，孫振宇

1中國科學院化學研究所，北京分子科學國家實驗室，膠體與界面與熱力學重點實驗室，中國科學院化學研究所分子科學卓越教育中心，北京 100190

2有機-無機復合材料國家重點實驗室，化學工程學院，北京化工大學，北京 100029

二氧化碳是一種主要溫室氣體，也是來源豐富、環境友好的可再生碳一資源。其化學轉化不僅可固定CO2，還可獲得高附加值能源產品、化學品以及可降解的高分子材料，因此其資源化利用引起了科技界的廣泛關注和研究興趣。本專刊中收集了我國部分科學家在相關領域的研究成果，將展示通過熱、電、光催化還原CO2制備化學品和能源產品方面的最新研究進展。

CO2/H2參與的羰基化反應可獲得醇、羧酸、胺、醛等大宗或精細化學品，是二氧化碳還原轉化研究最為廣泛的一個方向。孫予罕等1系統總結了過渡金屬催化CO2/H2參與的烯烴、鹵代烴、甲醇及其衍生物等羰基化反應的研究進展，探討了催化反應機制，并對未來發展方向進行了展望。何林等2綜述了近年來均相催化CO2/H2參與的烯烴、胺、醇/醚等羰基化反應研究及發展現狀，重點探討了不同種類的金屬催化劑對反應過程的影響。

由于其氣體特性，CO2參與的化學轉化過程通常涉及多相體系，其中介質起重要作用。功能離子液體在CO2轉化過程中，不僅可用作反應介質，還可用作CO2的吸附劑、活化劑，進而催化CO2轉化。劉志敏等3總結了離子液體介導的CO2轉化研究進展，探索了離子液體的作用，以及離子液體催化體系的催化反應機制。

二氧化碳加氫制甲醇受到廣泛研究，其實現工業化的關鍵在于催化劑。劉國亮和洪昕林等4以有機框架材料UiO-66作為ZrO2的前驅體，將Cu納米顆粒限制在UiO-66的孔隙/缺陷內構建了Cu/ZrO2納米復合催化劑，對CO2加氫制甲醇顯示高反應活性，歸因于催化劑中含有大量的Cu-ZrO2活性界面。機理研究發現該反應遵循甲酸鹽為中間體的反應路徑。楊恒權等5制備了三種具有不同強度金屬-載體相互作用的Cu/ZnO-SiO2催化劑，探究其催化性能，發現Cu/ZnO間強的相互作用引起了催化劑結構重構，促使體相中的ZnO物種向催化劑表面Cu物種遷移，形成了更多的Cu/ZnO界面，有利于甲醇的生成。

以水為氫源，通過光、電催化實現CO2還原，能夠從本質上解決氫來源問題，是當前CO2還原轉化的熱點領域。其中，電催化轉化CO2是將可再生電能轉化為化學能的有效途徑。程濤等6系統總結了二氧化碳電還原領域的理論研究進展和成果，重點關注反應機理的研究。銅催化劑因其在電化學還原CO2過程中可以產生高附加值的碳氫化合物而受到廣泛關注與研究。張生等7介紹了近五年Cu基催化劑在選擇性制備C2+產物方面的研究進展，概述了可能的反應機理，總結了影響產物選擇性的因素，并對該領域未來研究方向進行了展望。汪國雄等8分析了三種CO2電解器(H型電解池、流動電解池和膜電極電解池)的研究進展，基于電流密度、法拉第效率、能量效率和穩定性等四個關鍵性能參數，比較和討論了不同電解器構型的優缺點及其對CO2電還原性能的影響，指出膜電極電解器被認為是最具工業應用前景的技術方案。孫振宇等9構建了一系列Cu/CeO2納米催化劑，通過利用Cu和不同形狀的CeO2納米晶之間的相互作用，實現了對電催化CO2還原產乙烯性能的有效調控。

利用太陽能實現CO2還原是模擬自然界光合作用、實現CO2轉化的最理想途徑。因其大比表面積、大量低配位表面原子，以及從內部到表面轉移距離更短等性能優勢，超薄層狀材料在光催化二氧化碳還原方面顯示獨特優勢。紀紅兵等10對超薄二維光催化劑進行了分類，對其制備方法和光催化CO2還原機理進行了介紹，系統總結了這類光催化材料的最新研究進展。非貴金屬配合物作為分子催化劑，因其價格方面的優勢在光催化CO2還原研究方面受到人們的關注。魯統部等11系統介紹Co(II)配合物分子催化劑在光催化CO2還原方面的最新研究進展，重點分析了配合物分子結構對催化效率、選擇性和穩定性的影響，并針對存在的問題提出了Co(II)配合物分子催化劑的設計思路。在眾多光催化材料中，CdS和CdSe是研究較多的兩種半導體材料。王鋒等12介紹了基于CdS或CdSe納米材料的光催化還原二氧化碳的催化體系及其光催化反應機制。

催化劑在CO2還原中起關鍵作用。因其接近100%的原子利用率和獨特的催化性能，單原子催化劑可實現催化CO2加氫選擇性轉化為一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸以及C2+化合物等化學品。崔新江和石峰13系統總結了近幾年來單原子催化劑電催化、光催化以及熱催化二氧化碳加氫方面的研究進展，探討了單原子催化劑的構效關系及其催化反應機制。

在本?？M織期間，我們收到了一篇關于CO2對全球氣溫影響的來稿14。Dautzenberg博士及其合作者從全新的角度闡釋了由于CO2排放而可能引起的氣溫變化。我們認為這篇文章對從事CO2資源化利用和關注CO2問題的科研工作者具有重要的參考價值，因此將此文收錄在本?？小?/p>

二氧化碳還原轉化是當前化學領域的前沿研究課題，研究成果不斷涌現，在本?？M織期間，國內學者在國際重要期刊上發表一系列創新性成果，我們遴選了其中的5篇作為亮點評述，與讀者一起分享。