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。

图1. 光催化剂表面CO₂的吸附构型。

上海交通大学化学化工学院潘云翔研究员等基于其实验室已开展研究，并结合文献报道，撰写了题为Recent progresses on improving CO₂ adsorption and proton production for enhancing efficiency of photocatalytic CO₂ reduction by H₂O的综述，发表于Green Chemical Engineering（https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.003）。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，形成带有负电荷的活性CO₂^d-物种（图1）。CO₂^d-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）、掺杂碱金属或碱土金属是促使CO₂吸附形成CO₂^d-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HCO₂^d-物种（图1）。CO₂^d- 和HCO₂^d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。CO₂^d-和HCO₂^d-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。

针对有效调控CO₂吸附和质子传输进而提升光催化CO₂还原效率，已有大量实验和理论研究。潘云翔研究员等的综述文章系统总结了这一领域的研究进展，并对这一领域的发展方向进行了展望。

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。

总之，进一步提高光催化还原效率的关键在于：开发新型光催化还原反应器，理想的反应器能充分促进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；其次，开发廉价且高效的光催化新材料，以提高光吸收、电荷分离、反应物吸附和质子的生成，并提供更多的催化活性位点。最后，需进一步了解光催化还原机理。

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。

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。

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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