近期，化学与材料工程学院焦星辰教授/陈庆霞副教授继连续在J. Am. Chem. Soc. (10.1021/jacs.4c09841)和Adv. Energy Mater. (10.1002/aenm.202402889)期刊上发表关于光催化CO2还原的进展后，又在化学综述类顶刊“Chem. Soc. Rev.”（IF>40）上发表重要综述论文。《Chem. Soc. Rev.》是英国皇家化学会出版的综述类期刊，主要介绍化学、化工、能源、材料等学科领域的前沿和热点问题，在全球享有极高的学术影响力与权威性，所刊发的论文对相关领域的发展具有重要的引领和指导作用。该论文化工学院2024级博士李梦倩、2023级硕士研究生韩泽群和2024级博士生胡秦源为共同第一作者。
自工业革命以来，由于全球经济的迅速扩张、人口增长和化石燃料的普遍燃烧，大气中二氧化碳(CO2)浓度显著上升。大气CO2浓度的显著增加对全球气候和生态系统等各方面产生了深远的影响。为了应对碳排放增加和全球变暖带来的挑战，世界各国提出了多种可持续发展途径。例如，中国制定了“碳达峰”和“碳中和”等战略，旨在限制和减少二氧化碳的排放量，达到排放与吸收之间的平衡。在众多减少大气CO2排放的策略中，利用光催化剂催化CO2转化为燃料被认为是一种非常有前途的方法，该方法从自然光合过程中获得灵感。这种方法不仅有助于减缓气候变化，而且还提供了生产可再生燃料的机会，使其成为未来可持续发展战略中一个引人注目的解决方案。光催化CO2还原效率在很大程度上取决于所选择的催化剂，所以设计和生产高效催化剂以提高催化效率至关重要。因此，迫切需要设计出能够提高光催化还原CO2效率的催化剂。
光催化CO2还原过程中，通常包括光吸收、载流子分离和表面氧化还原反应三个关键步骤。表面氧化还原反应中的多个质子化步骤为所需的选择性带来了挑战，因为它可能导致各种产物的形成。近期CO2还原研究得到的产物大致可分为C1产物和C2+产物，与C1产品相比，C2产物应用更加广泛，附加值更高并且具有高能量密度和经济价值，是生产长链烃燃料的理想原料。但是，到目前为止，文献中记录的大多数CO2光还原反应主要产生的是C1产物，只有少量的反应可以同时观察到的C2+产物与C1产物的生成。在光催化还原CO2过程中，C2+产物的产生限制主要归因于C1中间体的脱附以及在复杂的多电子还原过程中C−C偶联的缓慢动力学。因此，确保C1中间体，特别是*CO和*COOH的稳定性至关重要，它可以使随后的C−C偶联成为可能，从而促进C2+产物的生成。也就是说，光催化CO2还原成C1产物和C2产物具有不同的反应途径。当光催化剂具有电荷极化活性位点时，静电斥力被相邻C1中间体中明显不同的电荷分布所抑制。同时，若吸附C1中间体的两个碳原子有适当的距离，将控制两个C1中间体C−C偶联生成C2产物。相反，当光催化剂具有电荷平衡的活性位点时，将生成C1产物。鉴于此，光催化剂必须具有增加C1中间体吸附的特定位点，高偏电子密度，以及高浓度可获得的质子。因此，有必要通过在各种催化剂上促进C−C偶联来稳定C1中间体形成C2+产物。
本文主要内容是把光催化CO2还原为C2+燃料所涉及的催化剂进行了系统地分类。我们总结了金属氧化物，金属硫化物，MXenes，金属有机框架(MOFs)作为光催化CO2还原成C2产物的催化剂，归因于其本身的双活性位点可以促进C−C偶联。此外，我们总结了共价有机框架(COFs)、氮化碳(C3N4)、金属磷化物和石墨烯作为光催化CO2还原成C2产物的助催化剂，因为它们含有可以诱导C−C偶联的双活性位点。并且对生成C2+产物的选择性的原因进行了总结。最后，我们对新型光催化剂的设计、催化机理的研究和光催化CO2光还原成多碳产物的应用要求进行了简要的总结和展望。
上述研究得到科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金和江南大学高层人才引进启动资金等项目资助。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en-us/content/articlepdf/2024/cs/d4cs00186a
图1.在不同的材料光催化CO2制C2+产物，其中金属氧化物、金属硫化物、MXenes、MOFs作为催化剂，COFs、C3N4、金属磷化物和石墨烯作为助催化剂，促进C−C耦合。
