二氧化碳还原转化

刘志敏，孙振宇

1中国科学院化学研究所，北京分子科学国家实验室，胶体与界面与热力学重点实验室，中国科学院化学研究所分子科学卓越教育中心，北京 100190

2有机-无机复合材料国家重点实验室，化学工程学院，北京化工大学，北京 100029

二氧化碳是一种主要温室气体，也是来源丰富、环境友好的可再生碳一资源。其化学转化不仅可固定CO2，还可获得高附加值能源产品、化学品以及可降解的高分子材料，因此其资源化利用引起了科技界的广泛关注和研究兴趣。本专刊中收集了我国部分科学家在相关领域的研究成果，将展示通过热、电、光催化还原CO2制备化学品和能源产品方面的最新研究进展。

CO2/H2参与的羰基化反应可获得醇、羧酸、胺、醛等大宗或精细化学品，是二氧化碳还原转化研究最为广泛的一个方向。孙予罕等1系统总结了过渡金属催化CO2/H2参与的烯烃、卤代烃、甲醇及其衍生物等羰基化反应的研究进展，探讨了催化反应机制，并对未来发展方向进行了展望。何林等2综述了近年来均相催化CO2/H2参与的烯烃、胺、醇/醚等羰基化反应研究及发展现状，重点探讨了不同种类的金属催化剂对反应过程的影响。

由于其气体特性，CO2参与的化学转化过程通常涉及多相体系，其中介质起重要作用。功能离子液体在CO2转化过程中，不仅可用作反应介质，还可用作CO2的吸附剂、活化剂，进而催化CO2转化。刘志敏等3总结了离子液体介导的CO2转化研究进展，探索了离子液体的作用，以及离子液体催化体系的催化反应机制。

二氧化碳加氢制甲醇受到广泛研究，其实现工业化的关键在于催化剂。刘国亮和洪昕林等4以有机框架材料UiO-66作为ZrO2的前驱体，将Cu纳米颗粒限制在UiO-66的孔隙/缺陷内构建了Cu/ZrO2纳米复合催化剂，对CO2加氢制甲醇显示高反应活性，归因于催化剂中含有大量的Cu-ZrO2活性界面。机理研究发现该反应遵循甲酸盐为中间体的反应路径。杨恒权等5制备了三种具有不同强度金属-载体相互作用的Cu/ZnO-SiO2催化剂，探究其催化性能，发现Cu/ZnO间强的相互作用引起了催化剂结构重构，促使体相中的ZnO物种向催化剂表面Cu物种迁移，形成了更多的Cu/ZnO界面，有利于甲醇的生成。

以水为氢源，通过光、电催化实现CO2还原，能够从本质上解决氢来源问题，是当前CO2还原转化的热点领域。其中，电催化转化CO2是将可再生电能转化为化学能的有效途径。程涛等6系统总结了二氧化碳电还原领域的理论研究进展和成果，重点关注反应机理的研究。铜催化剂因其在电化学还原CO2过程中可以产生高附加值的碳氢化合物而受到广泛关注与研究。张生等7介绍了近五年Cu基催化剂在选择性制备C2+产物方面的研究进展，概述了可能的反应机理，总结了影响产物选择性的因素，并对该领域未来研究方向进行了展望。汪国雄等8分析了三种CO2电解器(H型电解池、流动电解池和膜电极电解池)的研究进展，基于电流密度、法拉第效率、能量效率和稳定性等四个关键性能参数，比较和讨论了不同电解器构型的优缺点及其对CO2电还原性能的影响，指出膜电极电解器被认为是最具工业应用前景的技术方案。孙振宇等9构建了一系列Cu/CeO2纳米催化剂，通过利用Cu和不同形状的CeO2纳米晶之间的相互作用，实现了对电催化CO2还原产乙烯性能的有效调控。

利用太阳能实现CO2还原是模拟自然界光合作用、实现CO2转化的最理想途径。因其大比表面积、大量低配位表面原子，以及从内部到表面转移距离更短等性能优势，超薄层状材料在光催化二氧化碳还原方面显示独特优势。纪红兵等10对超薄二维光催化剂进行了分类，对其制备方法和光催化CO2还原机理进行了介绍，系统总结了这类光催化材料的最新研究进展。非贵金属配合物作为分子催化剂，因其价格方面的优势在光催化CO2还原研究方面受到人们的关注。鲁统部等11系统介绍Co(II)配合物分子催化剂在光催化CO2还原方面的最新研究进展，重点分析了配合物分子结构对催化效率、选择性和稳定性的影响，并针对存在的问题提出了Co(II)配合物分子催化剂的设计思路。在众多光催化材料中，CdS和CdSe是研究较多的两种半导体材料。王锋等12介绍了基于CdS或CdSe纳米材料的光催化还原二氧化碳的催化体系及其光催化反应机制。

催化剂在CO2还原中起关键作用。因其接近100%的原子利用率和独特的催化性能，单原子催化剂可实现催化CO2加氢选择性转化为一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸以及C2+化合物等化学品。崔新江和石峰13系统总结了近几年来单原子催化剂电催化、光催化以及热催化二氧化碳加氢方面的研究进展，探讨了单原子催化剂的构效关系及其催化反应机制。

在本专刊组织期间，我们收到了一篇关于CO2对全球气温影响的来稿14。Dautzenberg博士及其合作者从全新的角度阐释了由于CO2排放而可能引起的气温变化。我们认为这篇文章对从事CO2资源化利用和关注CO2问题的科研工作者具有重要的参考价值，因此将此文收录在本专刊中。

二氧化碳还原转化是当前化学领域的前沿研究课题，研究成果不断涌现，在本专刊组织期间，国内学者在国际重要期刊上发表一系列创新性成果，我们遴选了其中的5篇作为亮点评述，与读者一起分享。