综述：二氧化碳还原为C1化合物催化材料的研究现状与未来展望

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Research status and future prospects of catalytic materials for CO2 reduction to C1 materials

CO?催化还原制备高附加值碳化合物的研究进展，系统综述了CO、CH?、CH?OH等目标产物的催化材料、反应机制及工艺参数，指出光催化因操作温和备受关注但缺乏与其他路径的对比研究，同时存在催化剂性能评价标准不统一、 techno-economic分析及工业应用研究不足等问题，提出未来需发展多物理场耦合精准控制技术、基于固废的低成本催化剂及建立行业标准。

　　

吴风辉|张宇|刘欣|任元川|牛强

攀枝花大学，攀枝花化学资源利用重点实验室，中国四川省攀枝花市617000

摘要

将二氧化碳（CO₂）催化还原为高价值碳衍生物是一个具有前景的研究方向，它既能缓解温室效应，又能促进资源利用。本文系统地回顾了用于制备CO、CH₄、CH₃OH和HCOOH等产品的催化系统的当前发展状况，涵盖了催化材料、合成方法、反应机制和操作参数的最新进展。通过比较不同产品的催化条件和材料系统，本文概述了每种途径的优势和局限性。文献分析表明，当前的研究主要集中在光催化系统上，这主要是因为它们具有简单性、丰富的能量输入和较高的经济效益。然而，不同催化路线（如电催化和热催化）之间的直接比较研究仍然不足，该领域目前高度关注新型催化剂的开发，在技术经济分析和工业应用研究方面存在显著差距。此外，现有的催化材料具有不同的性能测试标准，缺乏统一的催化剂性能测量标准，导致催化剂之间的可比性较差。因此，本文建议未来的研究应通过多物理场耦合实现精确的反应控制，开发基于大宗固体废弃物的低成本催化剂，并引入相关标准和政策来衡量催化材料的性能，以促进CO₂资源利用技术的实际应用。

引言

随着全球工业化进程的不断推进，大气中二氧化碳（CO₂）的浓度不断升高，其对气候变化及相关环境问题的影响日益显著[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。在这种情况下，将CO₂高效转化为高价值化学品已成为能源和环境领域的重要研究方向[8], [9], [10], [11], [12]。CO₂的催化还原技术因其绿色和可持续性而受到广泛关注。这项技术不仅减少了大气中的CO₂含量，还促进了碳资源的循环利用，推动了向低碳经济的转型[13], [14], [15], [16]。近年来，在这一领域的基础研究和应用研究方面取得了显著进展，特别是在合成一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、甲酸（HCOOH）和其他碳基材料等方面展现了广阔的潜力[17], [18], [19]。CO₂催化还原的核心技术在于催化剂。已经合成了数千种催化剂材料，并在各种催化条件和催化还原产物下进行了研究。

目前CO₂催化还原领域的研究主要集中在高效催化剂的开发、反应参数的优化以及新型催化途径的探索[20]。其中，先进催化材料的设计和合成处于关键地位，包括基于金属的系统、金属有机框架（MOFs）[17], [21], [22], [23]、碳基纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）[23], [24], [25], [26], [27]以及其他复合催化剂。不同类型的材料在CO₂还原性能上存在显著差异，贵金属催化剂（如Pt和Au）表现出优异的活性，但其高昂的成本和有限的储量限制了大规模应用[23], [28], [29], [30]。

相比之下，使用Fe、Co和Ni等丰富元素的非贵金属催化剂为经济且可扩展的CO₂转化提供了更可行的途径[31], [32], [33]。此外，光催化[34], [35]、电催化[36], [37]和热催化[38]等各种技术方法在CO₂转化中表现出独特的特性和适用条件。近年来，光催化系统因能够直接利用光能、在温和条件下（常温常压）运行以及相对较低的能耗而受到关注。然而，它们在转化效率和长期稳定性方面的不足仍然是限制其实际应用的关键瓶颈。

近年来，CO₂催化还原研究取得了显著进展，出现了大量的催化材料系统和日益多样的反应条件。然而，现有的综述文献仍然缺乏从特定目标产品出发并系统结合催化条件进行交叉分析的研究框架。文献报道了多种类型的催化剂。在众多催化和适用条件下，缺乏统一的测量和评估标准来反映催化剂的优越性能。此外，一些研究为了完全展示催化剂的优越性能而刻意回避讨论材料的缺点，这无法支持后续的工业应用。本文以CO₂转化产物为主线，比较不同的反应途径和工艺参数作为比较维度，系统地回顾和评估了各种催化材料的性能特点和适用条件。在此基础上，进一步提出了未来该领域值得关注的研究方向，并建议迫切需要建立统一的、行业认可的催化剂性能测量标准。本文旨在提供一个系统分析视角，将产品、条件和材料联系起来，节省研究人员在文献研究中的时间，并为后续研究提供有针对性的参考。

部分摘录

热催化

将CO₂催化还原为CO（反应方程式：CO₂ + C → 2CO，ΔH = +172 kJ/mol）是合成气（CO/H₂）、冶金和化学合成中的关键反应。该反应具有强烈的吸热性，通常需要超过800°C的温度才能高效进行。在此过程中，催化剂的主要作用是降低反应的活化能，从而提高反应动力学速率和产物选择性。

热催化

甲烷（CH₄）作为一种高附加值气体和重要的化学原料，是CO₂转化研究中的关键目标产品之一。CO₂催化转化为CH₄不仅有助于缓解能源安全问题，还为CH₄的生产提供了可持续的方法[121]。近年来，这一领域取得了显著进展，包括催化剂设计、机制阐明和工艺创新。

鉴于工业

通过CO₂催化还原制备CH₃OH

近年来，甲醇（CH₃OH）因其易于储存和运输的特性而受到广泛关注，成为一种能源存储载体。CO₂催化还原为甲醇是实现碳减排的关键技术之一。选择性氢化CO₂以合成CH₃OH不仅为清洁能源的生产提供了可行途径，还有助于碳资源的可持续管理。

通过CO₂催化还原制备多碳产品

日益严重的全球气候变化问题使得减少CO₂排放成为应对措施的核心。在国际碳减排政策的推动下，CO₂催化转化技术成为大气治理领域的研究重点，各种催化材料及其衍生的碳基产品因此受到了广泛关注。直接使用CO₂作为碳源来合成含碳化合物

展望

为了进一步推动CO₂催化转化技术的发展，有必要关注创新催化剂设计并深入理解反应机制，以克服现有系统的瓶颈。首先，应努力开发具有多个活性位点的催化剂系统。例如，通过构建具有强金属支撑相互作用的催化剂，可以精确调控反应路径，从而提高目标产品的产率。

结论

CO₂催化还原作为可持续发展的前沿技术，在缓解全球变暖和构建碳资源循环系统方面展现了巨大潜力。本文系统回顾了将CO₂转化为高价值化学品和材料的当前研究进展，涵盖了催化技术途径、材料设计策略、反应机制的理解、现有挑战以及未来发展方向。通过评估

CRediT作者贡献声明

吴风辉：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法学、调查、资金获取、形式分析、概念化。任元川：调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。牛强：撰写——初稿、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。张宇：撰写——初稿、可视化、验证、监督、数据管理。刘欣：撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了攀枝花化学资源利用重点实验室开放科学项目（项目编号25HGZY0001）、国家自然科学基金（项目编号52400156）以及攀枝花市2025年指导性科技计划项目（项目编号2025ZD-S-98）的资助。

利益冲突声明

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