中国科学院兰州化学物理研究所石峰教授课题组综述：基于单原子催化剂的二氧化碳选择性转化
引用信息
崔新江, 石峰. 基于单原子催化剂的二氧化碳选择性转化. 物理化学学报, 2021, 37 (5), 2006080.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202006080
Xinjiang Cui, Feng Shi. Selective Conversion of CO2 by Single-Site Catalysts. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (5), 2006080.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202006080
主要亮点
综述了近年来单原子催化剂（single atom catalysts）在二氧化碳活化转化中的应用研究，包括单原子催化剂通过电催化、光催化以及热催化的方法在二氧化碳选择性还原方面的研究工作，并深入探讨单原子催化剂在二氧化碳选择性还原反应中的结构性能关系以及其结构的调控对催化剂活性的影响。
研究背景：意义、现状
二氧化碳是大气中的重要组成成分，也是碳和含碳化合物（如化石燃料）的最终氧化/燃烧产物。随着人类社会的飞速发展和化石能源的大量使用，大气中二氧化碳的含量急剧增加。在国家碳达峰和碳中和的背景下，减少二氧化碳排放甚至降低其在大气中的浓度已成为我国各领域面临的重大挑战。除了从源头减少碳排放，二氧化碳的转化利用也是非常重要的方向，而二氧化碳的催化转化就是其中非常重要的研究方向。近年来，随着对多相催化剂的精准活性位点的深入认识，科研工作者发现单原子催化剂能够高效的催化二氧化碳到高附加值产品的转化，并逐步成为研究领域的热点，如图一。
图1 单原子催化二氧化碳转化领域发表文章，数据来自 web of science
本文重点评述了单原子催化剂通过电催化、光催化以及热催化的方法在二氧化碳选择性转化中研究工作。并结合理论模拟计算，探讨单原子催化剂在二氧化碳选择还原反应中的结构性能关系对催化剂活性的影响。
核心内容
1. 电催化二氧化碳的转化：电催化过程的优点在于使用水作为氢源而不是H2。本文总结了最近发展的单原子Ni, Fe，Co催化剂以及Co-Ni双金属单原子催化剂在催化二氧化碳制CO（图二），甲烷以及C2+产品上的催化性能。相对于热催化过程，当前电催化二氧化碳转化过程的产物收率较低。
图2 单原子Ni催化剂以及电催化二氧化碳加氢制CO
2. 光催化二氧化碳的转化：本文总结了单原子催化剂光催化二氧化碳制备高附加值化学品的最新进展。虽然该研究已经取得了较好的进展，但是也面临着很多问题亟待解决，例如如何解决光催化效率低的问题。解决这一问题的关键还是在于制备更高效的光催化剂，能够拓展光的吸收范围，可以更好地利用可见光，提高电荷分离，增加光子的利用效率，从而加速反应速率。
3. 热催化二氧化碳的转化：热催化是目前为止大规模利用和转化二氧化碳的最具潜力的方式，本文综述了单原子催化剂在二氧化碳热催化转化过程中的应用（图三）。然而目前热催化也面临着反应温度较高，产物分布较宽，目标产物选择性差的难题。例如，二氧化碳加氢制备甲烷的热催化过程，由于反应物H2通常比CH4更具价值，从而生成CH4是否具有商业价值有待研究。如果可以将CO2加氢生产较长链分子，将是非常有前景的方向，但是目前有产业化仍有很大难度。因此如何减低反应温度、提高目标产物的选择性以及大规模生产更具经济价值的产品，将是下一步的研究重点和难点。
图3 单原子Ir催化剂以及催化二氧化碳加氢制甲酸的热催化反应
结论与展望
本文对近年来单原子催化剂在二氧化碳催化转化中的应用研究进行了总结。主要对单原子催化剂的制备、表征以及在电催化、光催化以及热催化中的二氧化碳转化为一氧化碳、甲酸、甲醇、乙醇、以及其他产品的性能、机理进行了系统的总结。同时，结合理论模拟计算的结果，评述了催化剂制备、结构和性能之间的关系。最后通过对催化剂制备，反应机理的研究以及理论模拟计算的结合，有望为设计制备低成本、高活性、高稳定性单原子催化剂提供启示并最终应用于二氧化碳高值化的产业化中。
石 峰
1975年生，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博导。主要从事多相催化，绿色化学以及精细化学品的清洁合成方面的研究。
1984年生，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博导。主要从事多相催化，低碳烷烃转化等方面的研究。
1、武汉理工大学余家国教授和曹少文研究员：二维/二维FeNi-LDH/g-C3N4复合光催化剂增强CO2光还原性能
2、华中师范大学欧阳述昕教授团队：双功能型金属镍@碳复合催化剂助力甲醇电氧化辅助的节能制氢
http://www.whxb.pku.edu.cn/EN/10.3866/PKU.WHXB202006080