背景介绍

面对能源危机和全球变暖的双重挑战，将可再生能源与电化学转化技术相结合已成为储能和资源利用的重要方向。其中，电催化二氧化碳还原（CO₂RR）可以实现资源化转化，将温室气体转化成高附加值化学品，具有温和高效、应用广泛的优势。然而，如何设计高效催化剂来精准调控产物选择性仍是一大挑战。近年来，纳米限域效应因其独特结构优势受到关注。该结构不仅提升了活性位点的可及性和利用率，还促进关键中间体的富集与稳定，优化局部反应微环境，从而加快反应动力学并增强产物选择性。

成果简介

该综述文章系统阐述了纳米限域效应在CO₂RR中的作用机制，总结了其在提升反应动力学和调控产物选择性方面的独特优势，重点阐述了孔结构对反应物浓度、质量传输、中间体稳定性、电场分布及界面性质的调控作用。同时，文章归纳了CO₂RR过程中纳米限域结构的典型应用与性能表现，同时汇总了纳米限域效应在CO₂RR中的研究进展。

图1. 纳米限域效应在CO₂RR中的发展。

图文导读

要点一：限域效应作用机制

在CO₂RR中，纳米限域效应展现出独特的优势。它能够提升局部CO₂浓度，形成明显的浓度梯度，从而加快反应物的扩散与富集；同时，优化的孔道结构为分子提供更高效的传输通道，使反应物更快抵达活性位点，并在其中间体生成后得到有效稳定。限域空间可诱导局部电场增强，改变电荷分布和吸附行为，从而进一步促进反应的发生。此外，通过调控材料表面的亲疏水性，可以精准影响气-液-固三相界面的反应环境。正是这些因素的协同作用，使得反应动力学大幅提升，产物选择性得到显著优化，为 CO₂高效转化提供了新的可能。

图2. CO₂RR中纳米限域效应的五种作用机制。

要点二：C₁产物的选择性调控

在生成 C₁产物（CO、CH₄、CH₃OH、HCOOH）的过程中，限域效应通过促进CO₂及中间体在孔道中的富集，抑制竞争性析氢反应，从而提高选择性。例如，限域结构能延长 *CO 的停留时间，促进其逐步氢化生成CH₄或CH₃OH；同时，孔道尺寸与表面官能团可调节 *OCHO 中间体的稳定性，从而高效生成HCOOH。

图3. 纳米限域效应作用下CO₂RR高效生成C₁产物。

要点三：C₂₊产物的选择性调控

纳米限域通过提升 *CO局部浓度及其稳定性，促进C-C偶联反应，实现C₂₊产物(如C₂H₄、C₂H₅OH、n-Propanol)的高选择性生成。合理设计的限域结构不仅优化了中间体迁移和耦合过程，还能有效抑制副反应。

图4. 纳米限域效应调控下CO₂RR高效生成C₂₊产物。

要点四：挑战与展望

基于纳米限域效应的CO₂RR是近年来迅速发展的研究方向，其核心思想是利用纳米孔道的空间限域作用，在不改变反应本质的情况下实现对反应物浓度、中间体稳定性及反应局部微环境的精准调控，从而提升催化活性与产物选择性。自相关概念提出以来，纳米限域催化体系的研究逐步发展，为CO₂资源化转化提供了重要的研究思路。然而，该研究方向仍处于探索阶段，在孔道结构的可控构建、限域效应机理的深入解析、催化剂的稳定性与规模化制备等方面仍面临诸多挑战，这些挑战既涉及电催化反应的基础科学问题，也关乎材料设计与工程应用。未来研究需聚焦于精准结构设计与体系优化，结合先进的表征与理论模拟方法，才能推动纳米限域效应在CO₂RR中的广泛应用，实现资源的高效利用与可持续转化。

作者简介

杨建平，东华大学材料学院研究员、博士生导师、副院长，英国皇家化学会会士(FRSC)、科睿唯安全球高被引科学家。从事材料界面调控及能源环境应用研究，发表PNAS、Adv. Mater.、 Angew. Chem. Int. Ed.、Natl. Sci. Rev.、 Chem. Soc. Rev等SCI论文200余篇，总引用17000多次，H指数66。主持国家自然科学基金（重大研究计划、优青、面上、青年）、上海市自然科学基金（原创探索、面上、浦江、外专）等项目。荣获上海市浦江人才、上海市东方学者特聘教授、上海千人、教育部霍英东青年基金、国家优秀青年科学基金、上海市曙光学者等荣誉。获得上海市自然科学奖二等奖、湖北省自然科学奖三等奖等奖励。

况  敏，东华大学材料学院研究员。主要围绕无机纳米功能材料的控制制备及其在光-电-化学能相互转换中的应用探索开展工作，重点发展它们在电化学CO₂催化、电池储能和水的光电裂解等前沿领域的应用。目前为止，在J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Adv. Mater.、 Energy Environ. Sci.、 Adv. Energy. Mater.、 Adv. Funct. Mater.等多个国际学术期刊发表研究论文60余篇，他引5000余次，h指数35。入选上海市海外领军人才、上海市浦江人才、上海市揽蓄人才、英国皇家化学会Journal of Materials Chemistry A“Emerging Investigators”。任Journal of Colloid and Interface Science期刊助理编辑，eScience、Journal of Electrochemistry、Green Carbon、Transactions of Tianjin University期刊青年编委。

文章信息

Bai S, Yan P, Li B, et al. Mechanisms and challenges of nanoporous confinement for carbon dioxide electrocatalysis. Nano Research, 2026, 19(1): 94907935. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907935.