東南大學李乃旭教授團隊ACS Catalysis綜述

2025年06月11日14:42:11 科學 1652

第一作者：賀紅斌，任宇奇

通訊作者：李乃旭教授

通訊單位：東南大學

論文DOI：10.1021/acscatal.5c02269

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連續流光熱催化CO2還原技術通過結合光能與熱能協同作用，為解決能源與環境問題提供了創新路徑。本文深入綜述了該技術在材料設計、光熱協同機制以及反應器創新方面的最新進展，並着重強調了連續流系統對光熱催化CO2還原性能的提升作用。首先，從光熱材料的微觀結構調控出發，闡明了光吸收、熱能轉換和載流子分離效率之間的內在聯繫，並強調了界面工程對優化光熱協同效應的重要性。其次，深入探討了連續流反應器在強化傳質傳熱、抑制催化劑失活以及實現反應條件精準調控方面的優勢，並分析了不同反應器構型對CO2還原路徑和產物選擇性的影響。最後，展望了該技術在構建高效碳循環和可再生能源存儲系統中的應用前景，並指出了未來研究的重點方向，包括開發智能化催化劑、構建多能場耦合系統以及深入理解多相界面傳質-反應耦合機制。本綜述旨在為連續流光熱催化CO2還原技術的進一步發展提供理論指導和實踐參考，並推動其在CO2資源化利用領域的工業化應用。

本文亮點

圖文摘要

1. 材料設計：系統綜述了微觀結構工程如何優化光熱材料中的界面耦合動力學，從而增強光吸收、熱轉換和電荷載流子分離效率。強調了界面工程在優化光熱協同效應中的關鍵作用。

2. 反應機理：分析了連續流反應器在強化傳質/傳熱、減緩催化劑失活以及實現精確反應控制方面的優勢。評估了反應器構型對CO2還原途徑和產物選擇性的影響。

3. 系統工程：提出採用多尺度建模與多孔介質集成技術，以優化催化劑機械穩定性和微流場分佈，解決能量耗散與傳質之間的平衡問題。

4. 技術應用：綜述了該技術在高效碳循環和可再生能源存儲系統中的潛在應用。明確了未來研究重點，包括智能催化材料開發與多物理場耦合系統設計。

圖文解析

圖1. (a)光催化CO2還原；(b)熱輔助光催化CO2還原；(c)熱電子和表面黑金等離子體共振協同促進光催化CO2還原；(d)通過局部極化電場促進光催化CO2還原；(e)光熱催化CO2還原。

圖2. (a)利用熱電偶監測液固催化系統的溫度；(b)通過熱電偶和紅外熱成像檢測氣固催化系統的溫度；(c)通過熱電偶和紅外熱成像檢測氣固催化系統的溫度。

圖3. 光熱催化CO2還原反應途徑。

圖4. (a)通過H2退火獲得具有精確工程表面化學態的光催化劑；(b)使用陰離子鹽誘導貴金屬原子/團簇的錨定，延長負載催化劑系統中光生電荷的壽命；(c)通過異質結納米片陣列催化劑加速光生載流子的空間分離並抑制複合；(d)等離子體共振工程對CO2還原過程中多電子轉移過程的調控；(e)通過精確設計MOF配體和金屬簇實現可定製的光吸收調控；(f)通過金屬活性位點的保護性構築設計，增強光吸收，同時盡量減少熱損失；(g)窄帶隙材料結構穩定性優化，有效利用其固有的高光吸收係數和載流子遷移率。

圖5. (a)通過構建具有Lewis酸鹼配對位點的金屬氧化物活性位點催化劑，促進熱催化CO2還原；(b)通過共浸漬方法製造金屬沸石催化劑，促進熱催化CO2還原；(c)通過構建支持單原子催化劑促進熱催化CO2還原；(d)通過設計的多組分支持-多組分單原子催化劑系統促進熱催化CO2還原；(e)通過建立金屬-硫化物界面構型促進熱催化CO2還原。

圖6. (a)通過核殼結構提高光熱轉換效率，促進光熱催化CO2還原；(b)通過優化核-殼結構中的界面環境來提高產品選擇性；(c)通過改進核殼催化劑的合成方案促進光熱CO2還原；(d)通過異質結界面工程促進光熱催化CO2還原；(e)通過精確調整多組分催化劑比例來提高光熱催化性能；(f)通過選擇有利的支撐材料促進催化劑製造工藝；(g)通過缺陷工程策略促進CO2吸附/活化位點；(h)通過表面改性技術提高光吸收能力。

圖7. 實驗室規模連續流反應器 (a)微反應器工作原理示意圖；(b)多點進氣的連續流反應器；(c)管式反應器；(d) 3D打印反應器；(e)平板反應器；(f)膜反應器。

圖8. 工業化規模連續流反應器 (a)塔式反應器；(b)平板反應器；(c)管式反應器。

圖9. (a)通過精確調節反應物質流場參數促進傳質；(b)通過周期性氣泡液柱結構促進傳質；(c)利用疏水-親水突變界面促進傳質；(d)通過構造超薄隔熱和吸熱層來促進傳熱；(e)通過工程反應系統設計促進熱傳遞；(f)通過智能全自動反應系統設計促進傳熱；(g)採用混合催化劑設計促進質量和熱量的傳遞；(h)利用LSPR效應促進質量和熱量傳遞；(i)通過功能化催化劑表面工程促進質量和熱量的傳遞。

圖10. (a)多孔陶瓷載體；(b)碳基材料載體；(c)金屬氧化物載體；(d)新興的載體；(e)化學鍵合固定（原子層沉積）；(f)通過柔性錨固進行固定；(g)通過物理負載進行固定；(h) 3D打印技術固定。

圖11. (a)抑制催化劑的焦化和燒結；(b)抑制催化劑中毒；(c)通過催化劑自愈實現連續流系統的長期穩定運行；(d)通過催化劑和反應器系統的協同設計，實現連續流系統的長期穩定運行。

圖12. (a)抑制催化劑的積碳和燒結；(b)防止催化劑中毒；(c)通過催化劑自愈，實現連續流系統的長期穩定運行；(d)通過催化劑和反應器構型的協同設計，確保連續流系統的持續平穩運行。

展望

在連續流光熱催化CO2還原技術取得重大進展的同時，其工業應用仍面臨材料、機制和工程協同優化方面的挑戰：（1）在材料設計層面，突破傳統異質結構建策略，發展具有梯度化能帶結構的光-熱-電多場耦合界面材料成為關鍵。通過晶格應力工程調控激子-聲子協同輸運路徑，結合原位同步輻射光電子能譜與瞬態表面光伏表徵，可揭示局域表面等離子體共振誘導的熱電子隧穿效應與缺陷態電荷再分佈規律，進而設計具有亞納米級能量阱的寬光譜自適應材料。（2）反應機制研究需加強對多相界面傳質-反應耦合過程的深入探究。需建立非平衡態熱載流子動力學與三相界面傳質反應的動態模型，採用飛秒時間分辨X射線吸收譜追蹤熱電子跨界面耗散路徑，結合DFT-MD耦合模擬闡明CO2吸附解離能壘的時空匹配機制，突破表面中間產物脫附速率與熱載流子壽命的動態平衡瓶頸。（3）工業化進程中，需融合多尺度流體力學與增材製造技術，開發具有分形流道結構的抗積碳微反應器。通過晶面選擇性沉積與原子層鈍化技術構建梯度化自修復塗層，可協同提升湍流場中的機械強度與傳質效率。（4）系統集成層面應結合人工智能和機器學習等技術，實現對反應過程的實時監測、精準控制和優化，提高系統的整體性能和可靠性。總之，連續流光熱催化CO2還原技術有望在未來為全球能源轉型和環境治理做出重大貢獻。

作者介紹

賀紅斌，現為東南大學化學化工學院博士研究生，研究方向為連續流非均相催化CO2資源化轉化與利用。在ACS Catalysis, Small., Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science.等SCI收錄刊物上發表研究論文16篇，申請/授權國家專利9項。曾獲寶鋼優秀學生獎、研究生國家獎學金等榮譽，在第九屆中國研究生能源裝備創新設計大賽等學科競賽中以第一完成人獲得國家級獎勵5項。

任宇奇，現為東南大學化學化工學院博士研究生，研究方向為CO2資源化轉化與利用。以第一作者及共同第一作者身份在Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition，ACS Nano，ACS Catalysis. 等重要的SCI收錄刊物上發表研究論文11篇。主持2025年度東南大學博士研究生創新能力提升計劃，並成功入選首屆中國科協青年人才托舉工程博士生專項計劃（中國能源研究會）。

李乃旭教授，現為東南大學化學化工學院博/碩導。2003年~2014年於東南大學分別完成本科、碩士和博士的學習和研究階段；期間2011年~2013年在國家留學基金委的支持下，於美國佐治亞理工學院進行聯合培養，導師為Younan Xia 和 Krista Walton教授。入選江蘇省「333高層次人才培養工程」中青年學術技術帶頭人、唐仲英基金會「仲英青年學者」、江蘇省「雙創計劃」科技副總項目、南京高層次創業人才引進計劃。主持國家自然科學基金、江蘇省教改項目/江蘇省自然科學基金、企業橫向等項目。以第一或通訊作者在Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie International Edition, ACS Nano, ACS Catalysis, Science Bulletin, Advanced Functional Materials, Nano Energy, AIChE Journal. 等學術期刊發表研究論文100餘篇；申請國家發明專利69件，授權40件。