近年來，全球二氧化碳排放量逐年增加，對人類生存的生態(tài)環(huán)境構成嚴重威脅。 （2018 年為 410 ppm——數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局夏威夷群島莫納羅亞火山的溫室氣體監(jiān)測站）。因此，CO2的捕獲、儲存和轉化受到了研究人員的廣泛關注。豐田中央研究院以水和二氧化碳為原料，利用陽光合成有用物質，能量轉換效率提升至全球最高的4.6%。德國巴斯夫將二氧化碳轉化為碳酸鹽聚合物材料，應用范圍廣泛。拜耳可以利用火電廠煙氣中的二氧化碳作為生產(chǎn)聚氨酯材料的主要原料。碳酸鹽生產(chǎn)有穩(wěn)定的催化劑市場，但CO2的利用還遠遠不夠。碳氫燃料的轉化仍處于應用的基礎研究階段。中國“十三五”規(guī)劃和中美氣候變化聯(lián)合聲明將“減碳”作為建設目標，鼓勵以二氧化碳為基礎的燃料轉化。并將其納入“十三五”國家基礎研究專項規(guī)劃（國科發(fā)冀[2017]162號）。利用太陽能將低成本、豐富的CO2和水轉化為儲存方便、技術成熟、應用領域廣泛、需求量巨大的碳氫燃料，是一種綠色的太陽能化學轉化技術。

在此背景下，雖然國內外在CO2還原領域已經(jīng)開展了大量的研究工作，但很多工作已經(jīng)從材料設計的角度實現(xiàn)了CO2的轉化，例如用于催化制氫的半導體催化劑或有機物的降解。調節(jié)催化反應或產(chǎn)物的選擇性（Adv. Mater. 2018, 30, 1704663）。然而，催化反應的實現(xiàn)和過程控制還不夠成熟。大多數(shù)研究人員使用的反應系統(tǒng)是非標準的“半定制”設備和分析系統(tǒng)。因此，筆者認為材料設計很重要，合適的反應體系和評價方法更為重要。反應體系是指CO2還原反應所需的環(huán)境條件，如光、電、溶液、溫度、壓力等；檢測方法是指產(chǎn)品的狀態(tài)（如氣體或液體、選擇性、濃度），以及碳轉化效率、光子效率等。

在幾種可行的催化 CO2 還原策略中，例如光催化、光電催化、光熱催化和熱催化，各有其優(yōu)點。光化學還原二氧化碳并將其轉化為對人類有益的碳氫化合物燃料的技術特別有吸引力。因為它可以在常溫常壓下進行，所以在特定的溫度和壓力下也可以產(chǎn)生協(xié)同效應。所需能源可直接或間接由太陽能等可再生能源提供，碳可循環(huán)利用。

圖 1 間歇式和流動式催化反應器 (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 – 436)

有兩種構建反應器的方法（如圖 2 所示）。一種是定容反應器，將CO2、H2或H2O等反應原料、催化劑或助催化劑置于反應器中，通過向催化劑中注入光、電、熱等進行反應.二是流動法，是將原料氣以一定的速率引入反應器，經(jīng)過一定的反應時間后，流出反應器的工藝過程。研究發(fā)現(xiàn)，反應釜材料一般分為聚四氟乙烯、石英玻璃、不銹鋼。聚四氟乙烯具有強度高、耐腐蝕、密封性好等優(yōu)點，但溫度極限較低，一般為250度。石英反應器具有耐溫、耐腐蝕等優(yōu)點，但較脆，抗壓強度低。金屬不銹鋼反應器具有耐壓、易加工的優(yōu)點，但易與反應物發(fā)生反應。您可以根據(jù)需要選擇合適的反應器。同時，為了及時引入或取出氣體或產(chǎn)品，在反應器設計上應開幾個孔，以方便原料的注入。

此外，較常見的反應形式是固液反應：在反應器中，以飽和CO2氣體溶液為原料，或在電催化還原反應器中注入電解質（圖2）。二氧化碳電還原的內在反應機理涉及固-液相三相邊界的復雜路徑。因此，催化劑幾何結構的合理設計允許盡可能多的反應位點以促進界面處的質子和電子轉移。

圖2 固氣固液反應示意圖（Chem. Commun., 2016, 52, 35-59）

圖3 光電催化CO2還原反應器示意圖（J. Photon. Energy. 2017, 7(1), 012005）

反應器中催化劑的處理因材料的形態(tài)而異。例如，粉末材料可以鋪在石英玻璃的表面；薄膜材料可通過折疊、沖孔等方式放入反應器；塊狀材料（多孔陶瓷）通過氣流通過，增加氣體與催化劑的接觸率，實現(xiàn)CO2還原。

光源選擇：催化反應源的選擇也很重要。有效光功率密度問題值得研究人員關注。因此，購買的光源，如氙氣燈，一般出廠功率在幾個太陽光強以上（一個太陽相當于1kW/m2）。因此，可以通過加熱過濾器對其進行調節(jié)。在設計反應之前，應使用光功率計測試實際值。使用的光源強度。

產(chǎn)品評估：催化產(chǎn)品的評估是整個系統(tǒng)的最后也是最重要的部分。采取的產(chǎn)品一般分為離線（俗稱“針式”）和在線檢測（在線）。根據(jù)催化產(chǎn)物的性質，檢測設備一般有氣相色譜法、質譜法和液相色譜法。葉金華教授、Ozin教授、鄒志剛教授、楊培東教授、李燦教授、謝毅教授、吳麗珠教授、王新臣教授等被廣泛使用。

本文重點介紹氣相色譜法，這是最近研究中最常用的設備。核心組件通常包括檢測器、色譜柱、甲烷重整器、六通閥和回路。檢測器一般采用兩種（氫火焰檢測器）FID和（熱池檢測器）TCD。 FID可以高靈敏度檢測含碳有機物，而TCD可以檢測所有化合物，包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳等，但靈敏度角（~1000 ppm）。因此，大多數(shù)研究人員選擇安裝FID檢測器，反應過程中殘留的CO2或CO可以通過帶有鎳催化劑的轉化爐進行檢測。更重要的是，產(chǎn)品汽化后，載氣流中使用的色譜柱也不同，影響檢測靈敏度。例如FID檢測器一般使用毛細管柱，TCD檢測器使用TDX01柱。如下圖色譜圖設計所示，國內外多家廠商均可提供定制產(chǎn)品，如安捷倫、天美、亞諾、富力等。當然，由于CO2還原的產(chǎn)物非常復雜，既有H2、CO等小分子，也有C1、CH3OH、甲酸、乙醇等有機分子，如C1、C2等。單柱檢測器一次不能完全檢測，需要TCD和TCD。 FID 組合在一起，不同類型的列一起使用。

將二氧化碳催化還原為碳氫化合物已成為緩解能源和環(huán)境問題的綠色手段。小編在多年研究的基礎上，整理了催化反應體系和產(chǎn)品評價的重要知識，希望能幫助同領域的研究人員為高效催化劑的設計提供一個很好的平臺。