综述：有效强化CO2吸附与质子传输，显著提升光催化CO2还原效率

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●图文导读 ●

光催化CO₂还原技术可将CO₂转化成为甲醇等高附加值化学品，是解决能源与环境问题的理想途径之一，但反应物转化率低、产物选择性差的问题始终是限制其应用的瓶颈。光催化剂表面的CO₂吸附与质子传输是影响光催化CO₂还原效率的重要因素。深刻认识CO₂吸附与质子传输特性，建立调控CO₂吸附与质子传输的有效策略，对于提升光催化CO₂还原效率具有重要意义。

上海交通大学潘云翔教授等基于其实验室已开展研究，并结合文献报道，在Green Chemical Engineering（GreenChE）上发表了题为“Recent progresses on improving CO₂ adsorption and proton production for enhancing efficiency of photocatalytic CO₂ reduction by H₂O”的综述（https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.003）。文章系统总结了光催化CO₂还原技术的最新研究进展，并对这一领域的发展方向进行了展望。

图1. 光催化剂表面CO₂的吸附构型。

气相中，自由CO₂分子为稳定直线型分子，C=O键长约1.1 Å。CO₂吸附于光催化剂表面时，形成带有负电性的活性物种(图1)。的∠OCO约140°、C=O键长约1.3 Å。在光催化剂表面构建氧缺陷位、构建含质子H的基团（例如：OH）、氧掺杂碱金属或碱土金属是促使CO₂吸附形成的有效策略。特别是在光催化剂表面构建含质子H的基团，可将CO₂转化成为活性物种(图1)。和是光催化CO₂还原过程的重要中间物，可促进CO₂还原反应进行，从而提升CO₂转化率。和的结构和电子特性也是影响产物选择性的重要因素。在光催化CO₂还原过程中，质子移动方向（移动至O或C原子）、参与CO₂还原反应的质子数量深刻影响反应物转化率和产物选择性。相比于CO₂还原反应，质子更易复合形成H₂，这是CO₂还原反应的竞争反应（图2）。在光催化剂表面包覆超薄导电碳膜、构建含有质子的基团、负载Ag共催化剂等都是抑制质子复合形成H₂、促进质子与CO₂反应的有效策略。

图2. Pt₂/P-In₂O₃(110)上H₂形成和CO₂还原能量壁垒(Ea)的理论计算。

同时，调控CO₂吸附时，需要特别注意H₂O与CO₂在光催化剂上的竞争吸附过程；提升质子传输能力时，应强化光催化剂裂解H₂O的能力并优化CO₂在带有负电荷光催化剂上的吸附。

最后，作者总结了提高光催化还原效率的关键：

1. 开发新型光催化还原反应器，充分促进CO₂和H₂O的相互作用，有利于电荷分离与转移、反应物迁移与吸附、产物脱附与分离；

2. 开发廉价且高效的光催化新材料，使其规模化利用成为可能；

3. 进一步了解光催化还原机理，在原位实验的基础上，构建理想的模型仍然是一个很大的挑战。

可以预见，在不久的将来，经过科研工作者持续不断努力，CO₂还原作为一种非常有前景的解决能源和环境问题的策略一定能够实现大规模的应用。

●文章信息 ●

Recentprogresses on improving CO₂ adsorption and proton production forenhancing efficiency of photocatalytic CO₂ reduction by H₂O

  Peng Liu, Xingcui Peng, Yu-Long Men, Yun-Xiang Pan*

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https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.003

通讯作者简介

 

潘云翔，上海交通大学化学化工学院研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者；研究领域为催化反应工程，围绕“催化剂表面的反应物吸附”这一催化反应的重要步骤，遵循“认识吸附→调控吸附→利用吸附”的思路，采用实验研究与理论计算相结合的手段，开展催化剂设计、制备和应用研究；先后在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.、Energy Environ. Sci.、J. Energy Chem.、Sci. China Chem.等重要学术期刊发表SCI英文论文80余篇，论文被他引3500余次；先后获得天津市优秀博士学位论文、全国优秀博士学位论文提名、天津市自然科学三等奖（排名第3）等。

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