二氧化碳還原轉(zhuǎn)化

劉志敏，孫振宇

1中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京分子科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，膠體與界面與熱力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院化學(xué)研究所分子科學(xué)卓越教育中心，北京 100190

2有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)工程學(xué)院，北京化工大學(xué)，北京 100029

二氧化碳是一種主要溫室氣體，也是來源豐富、環(huán)境友好的可再生碳一資源。其化學(xué)轉(zhuǎn)化不僅可固定CO2，還可獲得高附加值能源產(chǎn)品、化學(xué)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(guān)注和研究興趣。本?？惺占宋覈糠挚茖W(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，將展示通過熱、電、光催化還原CO2制備化學(xué)品和能源產(chǎn)品方面的最新研究進(jìn)展。

CO2/H2參與的羰基化反應(yīng)可獲得醇、羧酸、胺、醛等大宗或精細(xì)化學(xué)品，是二氧化碳還原轉(zhuǎn)化研究最為廣泛的一個(gè)方向。孫予罕等1系統(tǒng)總結(jié)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(yīng)的研究進(jìn)展，探討了催化反應(yīng)機(jī)制，并對未來發(fā)展方向進(jìn)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(yīng)研究及發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討了不同種類的金屬催化劑對反應(yīng)過程的影響。

由于其氣體特性，CO2參與的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程通常涉及多相體系，其中介質(zhì)起重要作用。功能離子液體在CO2轉(zhuǎn)化過程中，不僅可用作反應(yīng)介質(zhì)，還可用作CO2的吸附劑、活化劑，進(jìn)而催化CO2轉(zhuǎn)化。劉志敏等3總結(jié)了離子液體介導(dǎo)的CO2轉(zhuǎn)化研究進(jìn)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(yīng)機(jī)制。

二氧化碳加氫制甲醇受到廣泛研究，其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的關(guān)鍵在于催化劑。劉國亮和洪昕林等4以有機(jī)框架材料UiO-66作為ZrO2的前驅(qū)體，將Cu納米顆粒限制在UiO-66的孔隙/缺陷內(nèi)構(gòu)建了Cu/ZrO2納米復(fù)合催化劑，對CO2加氫制甲醇顯示高反應(yīng)活性，歸因于催化劑中含有大量的Cu-ZrO2活性界面。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)遵循甲酸鹽為中間體的反應(yīng)路徑。楊恒權(quán)等5制備了三種具有不同強(qiáng)度金屬-載體相互作用的Cu/ZnO-SiO2催化劑，探究其催化性能，發(fā)現(xiàn)Cu/ZnO間強(qiáng)的相互作用引起了催化劑結(jié)構(gòu)重構(gòu)，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(shí)現(xiàn)CO2還原，能夠從本質(zhì)上解決氫來源問題，是當(dāng)前CO2還原轉(zhuǎn)化的熱點(diǎn)領(lǐng)域。其中，電催化轉(zhuǎn)化CO2是將可再生電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的有效途徑。程濤等6系統(tǒng)總結(jié)了二氧化碳電還原領(lǐng)域的理論研究進(jìn)展和成果，重點(diǎn)關(guān)注反應(yīng)機(jī)理的研究。銅催化劑因其在電化學(xué)還原CO2過程中可以產(chǎn)生高附加值的碳?xì)浠衔锒艿綇V泛關(guān)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(chǎn)物方面的研究進(jìn)展，概述了可能的反應(yīng)機(jī)理，總結(jié)了影響產(chǎn)物選擇性的因素，并對該領(lǐng)域未來研究方向進(jìn)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(dòng)電解池和膜電極電解池)的研究進(jìn)展，基于電流密度、法拉第效率、能量效率和穩(wěn)定性等四個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，比較和討論了不同電解器構(gòu)型的優(yōu)缺點(diǎn)及其對CO2電還原性能的影響，指出膜電極電解器被認(rèn)為是最具工業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)方案。孫振宇等9構(gòu)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(shí)現(xiàn)了對電催化CO2還原產(chǎn)乙烯性能的有效調(diào)控。

利用太陽能實(shí)現(xiàn)CO2還原是模擬自然界光合作用、實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)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(nèi)部到表面轉(zhuǎn)移距離更短等性能優(yōu)勢，超薄層狀材料在光催化二氧化碳還原方面顯示獨(dú)特優(yōu)勢。紀(jì)紅兵等10對超薄二維光催化劑進(jìn)行了分類，對其制備方法和光催化CO2還原機(jī)理進(jìn)行了介紹，系統(tǒng)總結(jié)了這類光催化材料的最新研究進(jìn)展。非貴金屬配合物作為分子催化劑，因其價(jià)格方面的優(yōu)勢在光催化CO2還原研究方面受到人們的關(guān)注。魯統(tǒng)部等11系統(tǒng)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(jìn)展，重點(diǎn)分析了配合物分子結(jié)構(gòu)對催化效率、選擇性和穩(wěn)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(shè)計(jì)思路。在眾多光催化材料中，CdS和CdSe是研究較多的兩種半導(dǎo)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(yīng)機(jī)制。

催化劑在CO2還原中起關(guān)鍵作用。因其接近100%的原子利用率和獨(dú)特的催化性能，單原子催化劑可實(shí)現(xiàn)催化CO2加氫選擇性轉(zhuǎn)化為一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸以及C2+化合物等化學(xué)品。崔新江和石峰13系統(tǒng)總結(jié)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(jìn)展，探討了單原子催化劑的構(gòu)效關(guān)系及其催化反應(yīng)機(jī)制。

在本?？M織期間，我們收到了一篇關(guān)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(rèn)為這篇文章對從事CO2資源化利用和關(guān)注CO2問題的科研工作者具有重要的參考價(jià)值，因此將此文收錄在本專刊中。

二氧化碳還原轉(zhuǎn)化是當(dāng)前化學(xué)領(lǐng)域的前沿研究課題，研究成果不斷涌現(xiàn)，在本?？M織期間，國內(nèi)學(xué)者在國際重要期刊上發(fā)表一系列創(chuàng)新性成果，我們遴選了其中的5篇作為亮點(diǎn)評述，與讀者一起分享。