通过光还原，电还原或热还原将二氧化碳转化为化学燃料被认为是解决环境污染和能源短缺问题的最有效方法之一。然而，最近的研究表明，在实际的工作条件下，所涉及的催化剂可能会不断地进行重构，，这使得难以通过常规表征技术鉴定真正的活性位点并监测其演变，这导致了关于CO₂还原活性位点和反应机理的争议。更重要的是，在实验条件下实时检测反应中间体和催化产物是了解反应机理并进一步优化催化性能的关键。考虑到催化剂催化CO₂还原的性能高度依赖于活性部位，因此通过原位技术实时监测催化剂和反应中间体在实验条件下的动态演化是很有必要的。

有鉴于此，中国科学技术大学谢毅院士和孙永福教授等人，介绍了各种原位表征技术的工作原理和检测模式，系统地总结了关于在CO₂还原过程中催化剂演化的原位研究的最新进展。

本文要点

1）从各种原位表征技术的工作原理，优势和局限性入手，针对特定的原位实验进一步讨论了原位池的设计。随后，详细阐述了近年来关于催化剂在CO₂还原过程中的变化的原位研究，以揭示催化剂在CO₂还原过程中的变化，包括催化剂的形貌、晶相和价态。此外，总结了用于检测反应中间体动态演变的原位研究的各种原位表征技术的最新进展。然后，还对密度泛函理论（DFT）的计算方法进行了介绍，以研究各种中间体的动力学状态。更重要的是，结合原位研究和理论计算，对可能的CO₂还原反应机理进行了详细分析。最后，对未来CO₂还原的原位研究提出了一些展望和建议。

2）由于超快的时间分辨率和超高的空间分辨率，这些原位方法可以直接观察CO₂还原过程中活性位点的瞬态结构和形态，这为揭示真实活性位点的动态演化提供了可能。因此，有助于合理设计具有高活性位点的催化剂，以提高CO₂还原性能。

3）通过对催化剂，反应中间体以及催化产物的实时检测，可以清楚地揭示CO₂还原反应的动态过程，有助于准确理解催化机理，设计出高效的CO₂催化体系。对于该领域的未来研究，仍然存在许多挑战和机遇。CO₂还原反应原位研究的建议和前景具体如下：（ⅰ）以原子分辨率直接原位观察活性位点的演化至关重要。在这个方向上，可以设计和开发许多新兴的原位技术，以便以原子分辨率直接原位观察活性位点的演化；（ⅱ）实时可视化在活性位点形成的反应中间体，实时监测反应中间体构型可以帮助揭示实验条件下的催化机理。原位扫描隧道显微镜（STM）技术具有可视化吸附在催化剂表面的单个分子和原子的能力，可以在反应过程中以原子分辨率直接观察CO₂分子转化；（ⅲ）通过同时对超高空间分辨率的活性部位进行形貌和活性成像，可以实时监测不同活性部位的催化性能，这对于揭示反应机理和设计更好的催化体系具有重要意义；（ⅳ）通过控制计算条件和优化反应参数，机器学习可以模拟整个反应过程并预测CO₂还原反应的动态演变，从理论分析中推断出反应机理。原位研究和机器学习相结合的CO₂还原研究必将成为一个关键的研究方向，有望大大提高研究效率。

总之，该工作有助于加深对原位研究如何揭示CO₂还原过程动态变化的理解，从而有助于设计更精细、更有效的原位表征技术，进一步深入研究CO2转化的机理。

参考文献：

Xiaodong Li et al. Progress and Perspective for In Situ Studies of CO₂ Reduction. J. Am. Chem. Soc., 2020.

DOI: 10.1021/jacs.0c02973

https://doi.org/10.1021/jacs.0c02973