CO₂还原，既关乎环境，又关乎能源，是目前材料、化学领域科学家关注的重点议题。今天，我们要分享的是来自国际多个顶级研究团队关于CO₂还原最新的7篇重要成果，希望对相关研究人员有所启发。

1. 萨巴捷反应的复兴及其在地球和太空中的应用丨Nature Catal.综述

萨巴捷CO₂甲烷化(Sabatier)反应是降低CO₂排放、利用CO₂生产甲烷的一种有效途径。目前，萨巴捷反应正处于复兴状态，主要有两个方面的原因：首先，电制气的概念为大规模回收利用二氧化碳提供了可能性，并可以结合使用大量可再生能源制备甲烷。第二，甲烷化已成为一种助力美国宇航局等航天机构完成长期太空探索任务的重要反应。有鉴于此，荷兰乌得勒支大学Bert M. Weckhuysen教授等人深入分析了当前CO₂加氢反应的进展，并提出了自己独特的见解。该综述内容广泛，从基本的机械设备到相关参数，面面俱到。因为我们正在向小分子活化时代过渡，所以这些参数将最终决定其在地球和空间上的技术和经济可行性。

Charlotte Vogt, Matteo Monai, Gert Jan Kramer &Bert M. Weckhuysen*. The renaissance of the Sabatierreaction and its applications on Earth and in space. NatureCatalysis, 2019.

DOI: 10.1038/s41929-019-0244-4

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0244-4

2. CO₂电还原至多碳产物：催化剂和电解质的合理设计丨NatureCatal.综述

对于燃料和原料来说，CO₂的电还原反应(CO₂RR)是一种可以结束人为碳循环并储存可再生能源的有效途径。电还原CO₂可以获得大量的还原性化学物质，尤其是具有较高能量密度且非常适合工业应用的多碳氧化物和碳氢化合物(C₂₊)。然而，在将CO₂选择性转化为C₂₊的过程中存在过电位高，反应速率低，选择性低和对催化剂结构及电解质极为敏感等诸多问题。

有鉴于此，马克斯·普朗克学会Beatriz Roldan Cuenya教授等人认为可以通过采取对催化剂和电解质的合理设计，来实现C₂₊的高选择性。他们归纳总结了目前最优异的催化剂，包括铜和含铜双金属催化剂，以及一些替代材料。着重强调了考虑催化剂结构和组成的动态演化的重要性。此外，还提出了在选择电解质与特定催化剂几何外形和组分的协同作用下，提高C₂₊选择性的反应机理方面的见解。

Dunfeng Gao, Rosa M. Arán-Ais, Hyo Sang Jeon & BeatrizRoldan Cuenya*. Rational catalyst and electrolyte design for CO₂electroreduction towards multicarbon products. NatureCatalysis, 2019.

DOI: 10.1038/s41929-019-0235-5

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0235-5

3. 合金纳米线上铆钉铜原子对催化剂，高选择电催化还原CO₂丨Nature Chem.

作为碳能源循环的一部分，电催化CO₂还原在解决气候变化问题和全球能源需求问题等方面发挥着重要作用。单原子催化剂具有优异的电催化性能，然而由于催化位点的限制，通常适合单分子的反应。对于涉及多个分子的反应，可以通过开发具有更高复杂性的原子级分散的催化剂来改善催化性能。

有鉴于此，清华大学肖海教授和陈晨教授等人报道了一种“原子对催化剂”，该催化剂的特征是有两个相邻的铜原子，二者协同工作，在二氧化碳还原反应中完成关键的双分子步骤。该原子对催化剂具有稳定的Cu₁⁰-Cu₁^x+结构，Cu₁^x+吸附H₂O分子，相邻的Cu₁⁰吸附CO₂分子，从而促进了CO₂的活化。使得生成CO的法拉第效率在92%以上，与之存在竞争的析氢反应几乎完全被抑制。实验表征和理论计算表明，由于吸附构型降低了活化能，使得该催化剂在相对较低的电位下具有较高的选择性、催化活性和稳定性。

Jiqing Jiao, Rui Lin, Shoujie Liu, , Hai Xiao*, Chen Chen* , Yadong Li et al. Copper atom-paircatalyst anchored on alloy nanowires for selective and efficientelectrochemical reduction of CO₂. NatureChemistry, 2019

DOI: 10.1038/s41557-018-0201-x

https://www.nature.com/articles/s41557-018-0201-x

附加Nature Chemistry评论：

Benjamin S. Natinsky & Chong Liu.Two are better than one.Nature Chemistry, 2019.

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0221-1

4. 优势互补，分子&半导体二元p-n结，高效的CO₂还原催化剂丨Nature Energy

光敏剂吸收太阳光产生电子空穴对，可以用于驱动高效的水裂解和CO₂还原反应。尽管近年来在光电催化电池领域取得了很大进展，但是寻找一个高效的光阴极用于驱动CO₂还原还是比较困难的。有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校的ThomasJ. Meyer 教授课题组成功制备出了一种双分子的半导体p-n结用于高效的CO₂还原至甲酸。研究发现，基于分子与半导体p-n结之间的动力学相互作用，两个光敏单元可以互补的方式吸收可见光，产生高能电子，用于驱动钌基分子催化剂催化CO₂还原。在20小时的连续辐照过程中，光电阴极可以在- 1.1 mA cm ^{- 2}光电流密度下将CO₂还原为甲酸盐，法拉第效率高达64%。

BingShan, Srinivas Vanka, Ting-Ting Li, Ludovic Troian-Gautier, M. Kyle Brennaman,Zetian Mi & Thomas J. Meyer*.Binary molecular-semiconductorp–n junctions for photoelectrocatalytic CO₂ reduction. Nature Energy, 2019.

DOI: 10.1038/s41560-019-0345-y

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0345-y

5. In表面修饰S来活化H₂O分子，促进CO₂还原制甲酸丨Nature Commun.

将CO₂电催化转化成燃料和化学品具有重要意义，得到广泛的关注。目前，CO₂电催化还原制甲酸虽然可以获得较高的法拉第效率，但其高法拉第效率通常仅能在较低活性下实现，并且电位或电流的改变将显著影响其法拉第效率，这导致工业上关注的甲酸生成速率难以提高。有鉴于此，厦门大学王野教授、吴德印教授和张庆红教授等人报道了利用一种硫修饰In催化剂来活化H₂O分子而促进CO₂还原制甲酸的新方法。

研究发现，在非常宽的电流密度(25-100mA cm^-2)范围内，仍然具有很高的甲酸法拉第效率(>85%)，在93%的甲酸法拉第效率下，甲酸的生成速率可达1449 mmol h^-1 cm^-2，突破了目前CO₂电催化还原制甲酸生成速率的极限（1000 mmol h^-1cm^-2）。通过DFT计算明确了In表面S的促进机制。将硫拓展至硒和碲等其它硫族元素以及将金属铟拓展至铋和锡等其它p区金属，均实现很好的促进效果，表明通过促进水的活化来提高CO₂电催化还原性能具有普适性。该工作为理性设计高效的CO₂还原电催化剂提供了新策略。

Wenchao Ma, Shunji Xie, Xia-Guang Zhang, Fanfei Sun,Jincan Kang, Zheng Jiang, Qinghong Zhang*, De-Yin Wu*, Ye Wang*, et al.Promoting electrocatalytic CO₂ reduction to formate viasulfur-boosting water activation on indium surfaces. Nature Communications,2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-08805-x

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08805-x

6. 硒化铜纳米催化剂选择性电催化还原二氧化碳至甲醇丨Nature Cummun.

二氧化碳电化学还原制甲醇具有很大的吸引力。然而，在高电流密度条件下，如何利用易制备的催化剂实现高法拉第效率仍然是一个挑战。有鉴于此，中国科学院化学研究所韩布兴院士和Qinggong Zhu等人发现硒化铜纳米催化剂对二氧化碳电化学还原为甲醇具有优异的催化性能，在电流密度高达41.5 mA cm⁻²的条件下，具有285 mV的低过电位，此时法拉第效率为77.6%。催化剂中的铜和硒在甲醇形成过程中发挥了协同效应。

Dexin Yang, Qinggong Zhu*, Chunjun Chen, HuizhenLiu, Zhimin Liu, Zhijuan Zhao, Xiaoyu Zhang, Shoujie Liu & Buxing Han*.Selective electroreduction of carbon dioxide to methanol on copper selenidenanocatalysts. NatureCommunications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-08653-9

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08653-9

7. 人工智能进攻CO₂光催化还原领域丨Nature Cummun.

用光催化手段将温室气体CO₂转化为碳氢化合物和醇类等化学燃料，是一项有前景的可再生能源技术。尽管目前已知的CO₂还原电催化剂在提高效率和产物选择性方面已经取得了重大进展，但是仍然需要开发新的材料来实现经济可行的工业规模的CO₂还原。有鉴于此，美国加州大学伯克利分校的Kristin A.Persson教授等人将人工智能应用到催化剂的筛选上，他们基于68860个候选材料，使用第一性原理计算的筛选策略来评估材料的性质，包括合成可行性、耐腐蚀性、可见光吸收以及电子结构适应性等。结果证明，符合CO₂光催化剂要求的材料较少，仅有52种材料满足全部要求，其中9种材料已经被用于CO₂还原的研究，其余43种材料有待进一步研究。

Arunima K. Singh, Joseph H. Montoya, John M.Gregoire & Kristin A. Persson*. Robust and synthesizable photocatalysts forCO₂ reduction: a data-driven materials discovery. NatureCommunications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-08356-1

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08356-1