CCS Chemistry 2024年第12期主编寄语：二氧化碳捕获与转化专辑

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二氧化碳捕获与转化专辑

随着全球气候变化，人们对其可能带来的灾难性后果的担忧日益加剧，各国纷纷加快减碳技术的研发，以减少大气中二氧化碳的浓度。尽管可再生能源逐步崛起，但化石燃料在可预见的未来仍将是主要能源。因此，采取从源头减少二氧化碳排放并直接从大气中捕获二氧化碳的策略，成为应对二氧化碳浓度上升的有效途径之一。根据全球气候目标，计划到2050年，全球气温升幅需控制在工业化前水平的2℃以内（最好控制在1.5℃以内），这要求通过减碳技术，每年减少二氧化碳排放50亿吨至200亿吨。另外，如果能够将捕获的二氧化碳转化为高附加值的化学品和燃料，不仅有助于弥补碳捕获的高昂成本，还能推动碳循环经济的蓬勃发展，缓解化石燃料资源枯竭等相关问题。本期CCS Chemistry 聚焦于二氧化碳捕获与转化领域的主要挑战，探索最新的研究进展和创新方法，特别推出“二氧化碳捕获与转化”专辑。

碳捕获技术发展的最大障碍之一是高能耗，其中，大部分能耗来自吸附剂的再生。目前，大多数吸附剂依赖于强化学吸附，通常需要高温再生。相对而言，物理吸附剂具有更大的潜力，但其吸附能力较低，尤其在大气和室内等极低浓度环境下效果不佳。在本期专辑中，何清等人展示了一种基于相变的有机笼系统——Superphane，该系统在室温下即可实现二氧化碳的捕获与浓缩，并通过简单的机械搅拌即可触发二氧化碳的释放与吸附剂的再生。

直接捕获大气中的二氧化碳并进行光催化转化，是一种模拟自然界光合作用过程的方法。其中，二氧化碳捕获过程的传质与转化反应速率之间的匹配度，是该方法成功的关键。王丹等人通过在ZnO的内外表面均匀修饰沸石咪唑酯骨架ZIF-8，构筑了具有中空多壳层结构（HoMS）的纳微反应器。该反应器能够从空气中选择性捕获二氧化碳，并将其富集在HoMS空腔内。ZnO/ZIF-8异质界面有效促进了光生电荷的转移，从而实现了大气CO₂的高效催化转化为CO。

另一种方法是将捕获的二氧化碳释放，并进一步利用可再生能源驱动其转化，生产高价值、可持续的化学原料。例如，借助光催化剂，利用太阳能将CO₂光催化还原为甲烷（CH₄）或甲醇（CH₃OH）。然而，当前技术的整体转化效率仍然较低。为此，研究人员提出了多种策略以提高效率，例如改善电子传递、调控中间体与活性中心的相互作用以及优化整体过程等。通常，光催化二氧化碳转化涉及氧化还原光敏剂和催化剂，其中光敏剂生成的电子转移到催化剂上。因此，对二者进行改性和组合已成为提升转化性能的研究热点之一。鲁统部、钟地长等人通过将双核分子催化剂固定在多孔聚合物中，提高了光敏剂与活性位点之间的电荷转移，显著提升了CO₂转化为CO的速率。Kazuhiko Maeda、Osamu Ishitani、张贵刚等人通过增强聚合氮化碳的结晶度，提高了光电导率和电荷载流子寿命，从而使CO₂还原效率提升了5倍。催化剂表面对中间体的亲和力由活性中心的电子结构和几何结构决定，这直接影响反应性能。刘乘乘等人比较了具有相同配体和金属盐的金属有机框架（MOFs）与共价有机框架（COFs）在光催化二氧化碳还原反应中的表现。研究表明，MOFs在CO生成速率和选择性方面表现更佳，主要得益于其光电导性以及对中间体更为温和的键合作用。在另一篇研究中，钟地长等人展示了Co(II)与N的配位能够调节光催化中间体（COOH和CO）的键合强度，其中CoN₄结构表现最佳。郭新闻、宋春山等人合成了一系列Cu-M双原子改性Ti-MOFs，并用于研究光催化二氧化碳还原反应。通过调整第二金属（如In、Os、Sn），可以改变金属与活性中心中间体的相互作用，从而调控产物的类型，包括C₂+、CH₃OH和HCOOH。反应物的传质效率是光催化二氧化碳转化的另一个挑战。李军、杨述良、彭丽、吕蓬勃等人展示了高压可显著提高传质效率，在6.0 MPa下，光催化二氧化碳转化效率比常压时提高约70倍。

电催化二氧化碳还原能够高效生产多种化合物，如CO、HCOOH、CH₃CH₂OH等。该过程可由可再生能源驱动，有助于实现碳中和。转化过程中通常涉及CO、COOH等中间体，这些中间体在催化位点的吸附强度对产物的选择性有显著影响。因此，活性位点的微环境在反应方向和效率上起着决定性作用。吴骊珠、廖荣臻等人通过使用吡啶配体来改变铁基催化剂的第一配位层，从而调控金属-羰基中间体的作用强度。配体较少的催化剂更有利于CO的释放，这与高自旋铁(II)羰基中间体的存在密切相关。与此相反，CO₂还原为CH₄则需要活性中心与中间体之间较强的键合作用，以实现连续的加氢过程。韩布兴、吴海虹、陈春俊等人报道了一种合成超小铜纳米颗粒（约3.4纳米）的方法，这些纳米颗粒具有增强的CO键合能力，从而实现了高选择性合成CH₄。王军、席识博、周瑜等人的研究表明，使用离子液体（或聚合物）改性铜单原子可以增强铜对CO的亲和力，从而使生成CH₄的法拉第效率达到70%。黄远标等人证明，在UiO-66 MOF中稳定活性位点N-杂环卡宾，可以促进电子向二氧化碳还原活性位点的转移，这使得无金属催化CO₂转化为CO成为可能，且法拉第效率高达80%。孙为银、巩峰等人采用另一种方法，通过使用ZIF-8稳定小尺寸铜纳米颗粒，削弱了*CO中间体的结合力，从而促进了C–C偶联反应。该催化剂的C₂+法拉第效率达到了61%。

利用可再生能源产生的氢气进行热催化二氧化碳加氢是一个前景广阔的碳转化方法，尽管由于二氧化碳的相对惰性，这一过程通常需要超过300℃的高温。与光催化或电催化方法不同，热催化方法特别适用于C₂+分子的合成。通过串联催化反应，可以利用甲醇介导的途径或二氧化碳改性费托合成（Fischer–Tropsch）机制，高效合成烯烃、芳香烃及燃料等多种化合物。在这一过程中，多个催化剂组分的调控对于调控产物分布至关重要。Abhishek Dutta Chowdhury等人以MIL-100 MOFs为前驱体，成功获得了基于Fe₃O₄的逆水煤气变换活性相和基于Fe₅C₂的费托合成活性相的理想混合物。这种催化剂能够以59%的选择性高效生产高价值的C₅+长链烃类。Christopher W. Jones等人研究了铁-硅酸盐MFI/ZnO-ZrO₂催化剂中铁密度对二氧化碳转化为芳香烃的影响，发现低Si/Fe比率有助于催化剂中大量路易斯酸位点的形成，从而促进芳香烃的合成。

除了烃类化合物，甲醇也是一种高附加值的产品，既可作为燃料，也可作为多功能的化学原料。使用双功能催化剂（如ZnO-ZrO₂固溶体）可以高效实现二氧化碳氢化制甲醇，但其背后的反应机制和活性位点结构仍未完全明确。李灿、潘锋等人结合光谱学和密度泛函理论的研究，揭示了密度适中的Zn-O-Zr位点在促进甲醇合成中的关键作用。这种结构能够降低反应速率决定步的能垒，从而实现甲醇的高效合成。

此外，除了制备烃类化学品，二氧化碳转化为其他产物，如固体碳和其他碳基化学品，也引起了广泛关注。解振华和陈经广的综述文章总结了熔盐、液态金属以及电-热协同催化等方法在二氧化碳转化为固体碳中的优势与不足。赵斌、石颖等人展示了在温和条件下，利用光催化方法高效、环保地合成药物前体1,3-噁唑烷-2-酮。该方法以新型铜基金属有机框架（MOF）作为催化剂，采用氨基丙醇和炔醇作为底物，与二氧化碳反应。李新昊等人采用Pd掺杂的肖特基异质结作为光催化剂，促进了二氧化碳与多种含氮物质的共反应，成功实现尿素的合成。谢毅、刘树虎、张晓东等人使用类叶绿素氮修饰的非晶碳材料作为催化剂，在太阳能驱动下，实现了CO₂与环氧化物的环加成反应，直接合成环状碳酸酯。

正如上文概述，本期CCS Chemistry专辑以一篇关于二氧化碳转化的Mini-Review综述文章开始；此外还有2篇Communication和17篇Research Article，涵盖了二氧化碳捕获与转化领域的重要进展。每篇文章的导读请见：CCS Chemistry 2024年第12期上线——二氧化碳捕获与转化专辑。

尽管碳捕获与转化领域的研究非常活跃，且新的研究成果层出不穷，但仍面临诸多挑战。本期聚焦于解决该领域主要挑战的最新方法和研究进展，涵盖了材料设计、新工艺开发及机理研究等方面，展示了这一充满活力且至关重要的研究领域中的一些重要成果；还探讨了当前研究面临的问题以及未来发展的有效策略，助力减少大气中的二氧化碳浓度，降低能耗，并提高大气二氧化碳转化为高附加值化学品或燃料的效率。

降低大气二氧化碳浓度是一个复杂且多维的问题，二氧化碳捕获与转化的研究在其中发挥着重要作用，但仍有许多其他因素需要考虑。要实现大气中二氧化碳浓度的综合治理，必须发展更加完善的过程系统工程方法。这包括从产品与工艺设计、化学品和燃料的制造与分配，到能源需求与来源的优化，再到社会、经济和政治压力的应对。建立一个碳循环经济无疑是科学家、工程师、政策制定者乃至全人类共同面临的重大挑战之一。

解决这样一个复杂且多变的问题需要全球长期的共同努力。本专辑的作者们提供了重要的研究成果，这些成果将有助于实现降低二氧化碳浓度、应对气候变化的总体目标。在此，衷心感谢所有作者对二氧化碳捕获与转化专辑的支持。希望通过阅读本专辑，读者能够深入了解这一充满活力且至关重要的研究领域。

巩金龙 教授

客座编辑

E-mail: jlgong@tju.edu.cn

David W. Flaherty 教授

客座编辑

E-mail: dflaherty3@gatech.edu

张希 教授

CCS Chemistry 主编

E-mail: xi@tsinghua.edu.cn

Donna J. Minton 博士

中国化学会出版主管

E-mail: donna.minton@chinesechemsoc.org

注：本文根据CCS Chemistry 2024年第12期editorial 翻译整理而成，原文请见：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202401122ed1。

中国化学会

Chemsoc

原标题：《CCS Chemistry 2024年第12期主编寄语：二氧化碳捕获与转化专辑》

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