香港中文大学AM综述：光热催化CO2转化最新进展！

第一作者：Xue Ding

通讯作者：赵俊华，王璐

通讯单位：香港中文大学（深圳）

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二氧化碳（CO₂）对维持所有生物物种的生存环境有重要作用，但随着现代社会的发展和化石燃料的利用，大气CO₂的浓度增加到400 ppm，导致了严重的温室效应。

因此，将CO₂转化为有价值的化学品至关重要，尤其是可再生太阳能，其以光热催化的方式显示出巨大的潜力。

本文综述了光热催化CO₂转化技术的最新进展，特别是将CO₂转化为太阳能燃料的方法。文中讨论了催化剂设计、反应机理分析、反应器工程以及技术经济分析。作者强调了利用可再生太阳能将CO₂转化为有价值化学品的重要性，并为未来研究和碳循环管理提供了指导。

图文导读

图1：光热催化CO₂转化为太阳能燃料的示意图

图2：逆水煤气变换（RWGS）反应用于CO合成的示意图

图3：光热CO₂甲烷化的新光热系统的示意图、CO₂加氢在SA Ni/Y₂O₃纳米片上的产物产率与温度的关系、光热CO₂甲烷化在流动反应器系统中的示意图、大型Ru-Al₂O_3-x-L微通道催化剂的SEM图像、产物产率与流动系统中通道孔径的关系、3D Ru-Al₂O_3-x-L微通道催化剂模型的有限元模拟、简化的单孔模型的压力和速度轮廓、Ni@p-SiO₂中纳米尺度温室效应的示意图、不同催化剂在不同光照下的局部温度估计、有和无光照射下不同温度的CH₄形成率、以及提出的B(OH)_x表面受阻路易斯对反应途径。

图4：活性与光照波长的关系、可见光促进甲醇合成的提出的机理、纳米晶（NC）和超结构样品在250 °C和有/无太阳辐照下的CO₂加氢的甲醇速率、NR 14h在连续20 h测试中在大气压力下光照下催化CO₂加氢的甲醇速率、In₂O₃和xRu/In₂O₃催化剂在热催化过程中（暗）和光助热催化过程中（光）的甲醇产率、Cu/ZnO/Al₂O₃(CZA)、S1和S2在批式反应器中的光热催化性能、S0-S4的产物产率和甲醇选择性、以及S2的¹³CO₂标记反应的质谱。

图5：不同CoFe-x催化剂的形成示意图

图6：太阳能碟系统的照片、太阳能塔燃料工厂的示意图、太阳能塔燃料工厂在运行中的照片、用于在环境阳光照射下从甲烷蒸汽重整（MSR）中生产氢气的太阳能加热系统的光学图像、屋顶太阳能集中器及其附着的反应器的照片、用于在涂覆泡沫上进行光热CO₂氢化的环形光反应器的简化方案、以及在太阳光照下涂覆泡沫上In₂O₃_-x(OH)_y纳米棒催化的RWGS过程的物理现象的图形表示

图7：光热催化CO₂转化技术的TEA示意图

总结展望

本文深入探讨了光热催化CO₂转化技术，包括催化剂设计、反应机理、反应器设计和技术经济分析。尽管存在初始投资和技术挑战，长期的环保和低成本益使得该方法成为解决CO₂排放挑战的可行且有利可图的途径。

光热催化CO₂转化是一个多方面的系统，需要多学科研究人员协同攻关，以促进未来的进展。这种合作涵盖了几个关键领域，包括CO₂捕获、催化剂设计、反应器工程和过程优化。

最终，任何气相非均相CO₂光催化过程的可行性将由其能源和经济指标决定，特别是光子-产品转换的成本效率。

文献信息

标题：Photothermal CO2 catalysis towards the synthesis of solar fuel: from material and reactor engineering to techno-economic analysis

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202312093

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