隨著人口和工業(yè)化程度的快速增長(zhǎng)，全球能源供應(yīng)急劇增加。據(jù)估計(jì)，截止到2021年全球能源消耗總量約為600 EJ (108 J)，其中超過(guò)80%的能源供應(yīng)來(lái)自于化石燃料[1]。而化石燃料的使用會(huì)引起嚴(yán)重的CO2排放。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，大氣中的CO2含量從工業(yè)革命前的280 ppm上升到2020年的416 ppm（圖1）[2]。CO2的過(guò)量排放會(huì)帶來(lái)全球變暖、冰川融化、生物多樣性喪失等一系列問(wèn)題[3, 4]。因此，CO2的轉(zhuǎn)化利用已經(jīng)迫在眉睫。

圖1. 1958年至今全球CO2排放量[2].

迄今為止，已經(jīng)發(fā)展了多種技術(shù)可將CO2轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锘蚋吒郊又祷瘜W(xué)品，主要包括熱催化[5,6]、生物催化[7]、光電催化[8, 9]、電催化[10, 11]和光催化還原[12-14]等。在這些方法中，光催化CO2還原過(guò)程模擬自然光合作用，利用太陽(yáng)能和光催化劑將CO2和H2O進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化（亦稱人工光合作用），可以完美的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能燃料和高價(jià)值化學(xué)品的生產(chǎn)，如：甲醇、乙醇、碳?xì)浠衔锏?span style="font-size:12px;line-height:0;vertical-align:baseline;">[15, 16]，如圖2所示。因此，光催化CO2還原也被認(rèn)為是解決全球能源和環(huán)境問(wèn)題的最有前途的方案之一。近年來(lái)，光催化CO2還原的相關(guān)研究日漸增多。相比于傳統(tǒng)熱催化方法，光催化CO2還原反應(yīng)具有如下四大優(yōu)勢(shì)[17]： 

①光催化CO2還原反應(yīng)外部能量供應(yīng)僅為太陽(yáng)能，取之不盡用之不竭； 

②光催化CO2還原反應(yīng)中的產(chǎn)物以H2O和CO2為反應(yīng)原料，易于獲?。?nbsp;

③光催化CO2還原反應(yīng)條件溫和，一般為常溫、常壓； 

④光催化CO2還原反應(yīng)無(wú)二次污染。

圖2. A自然光合作用，B人工光合成（光催化CO2還原反應(yīng)）示意圖[16].

光催化CO2還原反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多步過(guò)程。一般情況下，光催化CO2還原反應(yīng)過(guò)程主要涉及如下三個(gè)步驟[17]： 

①半導(dǎo)體光催化劑受到能量大于其禁帶寬度（Eg）的光激發(fā)； 

②光生電子和光生空穴的分離； 

③光生電子遷移到光催化劑表面與CO2和H+發(fā)生反應(yīng)并形成還原產(chǎn)物，光生空穴與H2O發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生O2。 整個(gè)光催化CO2還原反應(yīng)過(guò)程可以在純氣相中發(fā)生，也可在溶液體系中發(fā)生[15]。

圖3. 光催化CO2還原示意圖.[17].

目前，光催化CO2還原反應(yīng)的產(chǎn)物主要包括：C1類產(chǎn)物（CO、CH4、CH3OH、HCOOH）和C2類產(chǎn)物（C2H4、C2H6、C3H6、C2H5OH等）。 

在化工領(lǐng)域中，光催化CO2還原反應(yīng)的產(chǎn)物分別具有不同的作用[1, 18]。 

①CO主要可被用作費(fèi)托合成反應(yīng)的原料氣，用于生產(chǎn)高碳類化學(xué)品； 

②CH4是天然氣的主要成分，同時(shí)也可被用于CO2的重整反應(yīng)； 

③液態(tài)產(chǎn)物CH3OH和HCOOH主要可被用于燃料電池，CH3OH也可作汽油的添加劑； 

④乙烯主要用于聚乙烯和乙二醇的生產(chǎn)，乙烷用于制備乙烯。乙醇主要應(yīng)用于化學(xué)溶劑、醫(yī)療和燃料中； 

⑤乙二醇用于聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯（滌綸的原料）的生產(chǎn)。 

CO2的C=O鍵能高達(dá)750 kJ·mol-1，其線性對(duì)稱分子結(jié)構(gòu)使其不易被活化[15, 19]。因此，在熱力學(xué)上，CO2的活化需要高能輸入。受制于轉(zhuǎn)化效率和選擇性問(wèn)題，目前的光催化CO2還原研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。 

現(xiàn)階段光催化CO2反應(yīng)主要面臨以下幾方面挑戰(zhàn)[3, 15]： 

①光催化CO2還原反應(yīng)所使用的催化劑有限的光吸收能力； 

②光催化CO2還原反應(yīng)中嚴(yán)重的光生載流子復(fù)合； 

③CO2難于吸附活化； 

④與光催化CO2還原反應(yīng)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)的光催化析氫反應(yīng)需被有效抑制； 

⑤光催化劑的穩(wěn)定性有待提升； 

⑥待開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便的光催化CO2還原反應(yīng)催化劑合成工藝； 

⑦缺乏大量關(guān)于光催化CO2還原反應(yīng)的機(jī)理研究，還原產(chǎn)物的選擇性難于調(diào)控。 

針對(duì)以上問(wèn)題，一方面可以通過(guò)設(shè)計(jì)合成高效催化劑提升光催化CO2還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率和提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性，另一方面，泊菲萊科技期望與各位專家朋友們進(jìn)行交流和深入合作，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器，通過(guò)優(yōu)化光催化CO2還原反應(yīng)工藝，積極推動(dòng)光催化CO2還原反應(yīng)的相關(guān)研究。