在之前的文章中，我们介绍过光热催化CO₂的研究背景、基本原理和催化剂的设计策略，这篇文章将进一步介绍光热功能材料的活化CO₂的微观机制，光热催化CO₂还原工业应用前景，以及对未来的展望。

光热CO₂活化的微观机制

1.界面电子传输桥促进载流子在界面上的分离

由于光热功能材料表面具有丰富的含氧基团和表面末端基团，因此在形成异质结后，通过末端基团与另一表面的相互作用形成化学键，该化学键会引起电位差和能带的重排，因而可作为电荷传输的“电子传输桥”，促进电荷在界面上的转移。电子桥的存在可以极大地提高电荷的传输效率，加速载流子的迁移，有利于促进光热CO₂的活化。

图1.表面含氧基团与Cu之间构建的电子传输桥［1］

2.“电子-热-CO₂”协同中心促进光热协同CO₂活化

当载流子通过电子传输桥迁移到界面时，光热材料由于具有优异的光热能力、电子富集能力和CO₂吸附能力，同时成为热、电子和CO₂的富集场所。在较高的光热温度下，载流子和反应物迁移等能-质传递过程增强，电子通过电子传输桥迅速收集至光热材料表面，形成富电子表面。同时，光热材料表面吸附大量的CO₂，许多电子在高温下迅速激活吸附的CO₂。“电子-热-CO₂”协同中心在光热催化CO₂还原过程中非常重要。

光热催化还原CO₂的工业应用前景

1.外部热源加热的光热催化还原CO₂的工业应用

能源供应主要有两种模式：一种是在引入太阳光的同时利用外部热源供热；二种是采用集中方式同时引入太阳光和热源，但不建议通过电加热、燃烧等方式提供外部热源，因为使用电力和燃料供暖会带来大量的能源消耗和污染问题，这与光热催化的可持续性和清洁性背道而驰。在模式一中，可利用工业生产中的余热和压力作为外部热源是正确的发展方向。化学工业和发电厂都有大量的中低温蒸汽和烟道气等余热余压，将它们作为光热催化CO₂的外部热源，对CO₂的减排、回收热能和燃料再生产方面是一举三得的解决方案。

2.聚光式光热催化还原CO₂的工业应用

与外部热源加热（120~350℃）相比，太阳光聚光可使反应温度高达500~1000℃［2］，较高的反应温度极大地促进光热催化CO₂还原顺利进行［3-5］。聚光下的光热催化反应能量均来源于太阳能，具有很好的可持续性和清洁性［6］，但其产业化发展具有很强的区域性，取决于太阳辐射强度的空间分布。虽然太阳能聚光器的开发和应用已相对成熟，但利用太阳能聚光的光热催化CO₂还原技术仍处于进一步探索阶段，实现较小的热损失和大的传热能力非常重要。

图2.聚光式光热催化还原CO₂的工业应用实例［7］

挑战与展望

1.对于光热催化而言，太阳光吸收和光热转换的能量传质过程对载流子的生成和光热温度具有决定性的影响。

PLR-RP系列催化反应评价装置创新的环照式反应器将催化剂床层的厚度限制在3 mm，这样既能保证催化剂的有效光照，增大催化剂的受光面积，提高对太阳光的吸收利用率，保证最大程度光照和热能的光热协同催化反应。

2.设计研究工艺简单、成本低、无二次污染的光热催化剂，同时光热催化剂的产率、成本和环境问题也应重视。

3.设计和开发高效、稳定、热损失最小的催化剂和反应装置，以适用于大规模聚光反应器。

PLR-RP系列催化反应评价装置的预热-伴热模块能够有效减小催化剂与反应体系之间的温度梯度，以此降低光热催化反应中的热能损失，保证实验的可靠性。

4.探索光热催化CO₂还原体系中的反应途径的潜在机制。

关于文献部分解读仅为笔者根据参考文献进行翻译和汇总，笔者水平有限，如有错误，请大家指正！

文章信息

Wang, Z.; Yang, Z. *, Kadirova, Z. C.; Guo, M.; Fang, R.; He, J.; Yan, Y.; Ran, J., Photothermal functional material and structure for photothermal catalytic CO₂ reduction: Recent advance, application and prospect. Coordination Chemistry Reviews 2022, 473, 214794.

文献信息

［1］  Wu, S.; Ji, Y.; Wang, L.; Wu, X.; Xu, H., Selective CO₂‐ o‐CH₄ Photoconversion in Aqueous Solutions Catalyzed by Atomically Dispersed Copper Sites Anchored on Ultrathin Graphdiyne Oxide Nanosheets. Solar RRL 2021, 5 (7).

［2］  Koepf, E.;  Alxneit, I.;  Wieckert, C.; Meier, A., A review of high temperature solar driven reactor technology: 25years of experience in research and development at the Paul Scherrer Institute. Applied Energy 2017, 188, 620-651.

［3］ Fang, J.;  Liu, Q.;  Guo, S.;  Lei, J.; Jin, H., Spanning solar spectrum: A combined photochemical and thermochemical process for solar energy storage. Applied Energy 2019, 247, 116-126.

［4］  Kho, E. T.;  Tan, T. H.;  Lovell, E.;  Wong, R. J.;  Scott, J.; Amal, R., A review on photo-thermal catalytic conversion of carbon dioxide. Green Energy & Environment 2017, 2 (3), 204-217.

［5］ Yadav, D.; Banerjee, R., A review of solar thermochemical processes. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2016, 54, 497-532.

［6］  Francis, A.;  S, S. P.;  S, H. K.;  K, S.; Tahir, M., A review on recent developments in solar photoreactors for carbon dioxide conversion to fuels. Journal of CO₂ Utilization 2021, 47, 101515.

［7］ Schäppi, R.; Rutz, D.; Dähler, F.; Muroyama, A.; Haueter, P.; Lilliestam, J.; Patt, A.; Furler, P.; Steinfeld, A., Drop-in fuels from sunlight and air. Nature 2021, 601 (7891), 63-68.