东南大学李乃旭教授团队ACS Catalysis综述

2025年06月11日14:42:11 科学 1652

第一作者：贺红斌，任宇奇

通讯作者：李乃旭教授

通讯单位：东南大学

论文DOI：10.1021/acscatal.5c02269

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连续流光热催化CO2还原技术通过结合光能与热能协同作用，为解决能源与环境问题提供了创新路径。本文深入综述了该技术在材料设计、光热协同机制以及反应器创新方面的最新进展，并着重强调了连续流系统对光热催化CO2还原性能的提升作用。首先，从光热材料的微观结构调控出发，阐明了光吸收、热能转换和载流子分离效率之间的内在联系，并强调了界面工程对优化光热协同效应的重要性。其次，深入探讨了连续流反应器在强化传质传热、抑制催化剂失活以及实现反应条件精准调控方面的优势，并分析了不同反应器构型对CO2还原路径和产物选择性的影响。最后，展望了该技术在构建高效碳循环和可再生能源存储系统中的应用前景，并指出了未来研究的重点方向，包括开发智能化催化剂、构建多能场耦合系统以及深入理解多相界面传质-反应耦合机制。本综述旨在为连续流光热催化CO2还原技术的进一步发展提供理论指导和实践参考，并推动其在CO2资源化利用领域的工业化应用。

本文亮点

图文摘要

1. 材料设计：系统综述了微观结构工程如何优化光热材料中的界面耦合动力学，从而增强光吸收、热转换和电荷载流子分离效率。强调了界面工程在优化光热协同效应中的关键作用。

2. 反应机理：分析了连续流反应器在强化传质/传热、减缓催化剂失活以及实现精确反应控制方面的优势。评估了反应器构型对CO2还原途径和产物选择性的影响。

3. 系统工程：提出采用多尺度建模与多孔介质集成技术，以优化催化剂机械稳定性和微流场分布，解决能量耗散与传质之间的平衡问题。

4. 技术应用：综述了该技术在高效碳循环和可再生能源存储系统中的潜在应用。明确了未来研究重点，包括智能催化材料开发与多物理场耦合系统设计。

图文解析

图1. (a)光催化CO2还原；(b)热辅助光催化CO2还原；(c)热电子和表面黑金等离子体共振协同促进光催化CO2还原；(d)通过局部极化电场促进光催化CO2还原；(e)光热催化CO2还原。

图2. (a)利用热电偶监测液固催化系统的温度；(b)通过热电偶和红外热成像检测气固催化系统的温度；(c)通过热电偶和红外热成像检测气固催化系统的温度。

图3. 光热催化CO2还原反应途径。

图4. (a)通过H2退火获得具有精确工程表面化学态的光催化剂；(b)使用阴离子盐诱导贵金属原子/团簇的锚定，延长负载催化剂系统中光生电荷的寿命；(c)通过异质结纳米片阵列催化剂加速光生载流子的空间分离并抑制复合；(d)等离子体共振工程对CO2还原过程中多电子转移过程的调控；(e)通过精确设计MOF配体和金属簇实现可定制的光吸收调控；(f)通过金属活性位点的保护性构筑设计，增强光吸收，同时尽量减少热损失；(g)窄带隙材料结构稳定性优化，有效利用其固有的高光吸收系数和载流子迁移率。

图5. (a)通过构建具有Lewis酸碱配对位点的金属氧化物活性位点催化剂，促进热催化CO2还原；(b)通过共浸渍方法制造金属沸石催化剂，促进热催化CO2还原；(c)通过构建支持单原子催化剂促进热催化CO2还原；(d)通过设计的多组分支持-多组分单原子催化剂系统促进热催化CO2还原；(e)通过建立金属-硫化物界面构型促进热催化CO2还原。

图6. (a)通过核壳结构提高光热转换效率，促进光热催化CO2还原；(b)通过优化核-壳结构中的界面环境来提高产品选择性；(c)通过改进核壳催化剂的合成方案促进光热CO2还原；(d)通过异质结界面工程促进光热催化CO2还原；(e)通过精确调整多组分催化剂比例来提高光热催化性能；(f)通过选择有利的支撑材料促进催化剂制造工艺；(g)通过缺陷工程策略促进CO2吸附/活化位点；(h)通过表面改性技术提高光吸收能力。

图7. 实验室规模连续流反应器 (a)微反应器工作原理示意图；(b)多点进气的连续流反应器；(c)管式反应器；(d) 3D打印反应器；(e)平板反应器；(f)膜反应器。

图8. 工业化规模连续流反应器 (a)塔式反应器；(b)平板反应器；(c)管式反应器。

图9. (a)通过精确调节反应物质流场参数促进传质；(b)通过周期性气泡液柱结构促进传质；(c)利用疏水-亲水突变界面促进传质；(d)通过构造超薄隔热和吸热层来促进传热；(e)通过工程反应系统设计促进热传递；(f)通过智能全自动反应系统设计促进传热；(g)采用混合催化剂设计促进质量和热量的传递；(h)利用LSPR效应促进质量和热量传递；(i)通过功能化催化剂表面工程促进质量和热量的传递。

图10. (a)多孔陶瓷载体；(b)碳基材料载体；(c)金属氧化物载体；(d)新兴的载体；(e)化学键合固定（原子层沉积）；(f)通过柔性锚固进行固定；(g)通过物理负载进行固定；(h) 3D打印技术固定。

图11. (a)抑制催化剂的焦化和烧结；(b)抑制催化剂中毒；(c)通过催化剂自愈实现连续流系统的长期稳定运行；(d)通过催化剂和反应器系统的协同设计，实现连续流系统的长期稳定运行。

图12. (a)抑制催化剂的积碳和烧结；(b)防止催化剂中毒；(c)通过催化剂自愈，实现连续流系统的长期稳定运行；(d)通过催化剂和反应器构型的协同设计，确保连续流系统的持续平稳运行。

展望

在连续流光热催化CO2还原技术取得重大进展的同时，其工业应用仍面临材料、机制和工程协同优化方面的挑战：（1）在材料设计层面，突破传统异质结构建策略，发展具有梯度化能带结构的光-热-电多场耦合界面材料成为关键。通过晶格应力工程调控激子-声子协同输运路径，结合原位同步辐射光电子能谱与瞬态表面光伏表征，可揭示局域表面等离子体共振诱导的热电子隧穿效应与缺陷态电荷再分布规律，进而设计具有亚纳米级能量阱的宽光谱自适应材料。（2）反应机制研究需加强对多相界面传质-反应耦合过程的深入探究。需建立非平衡态热载流子动力学与三相界面传质反应的动态模型，采用飞秒时间分辨X射线吸收谱追踪热电子跨界面耗散路径，结合DFT-MD耦合模拟阐明CO2吸附解离能垒的时空匹配机制，突破表面中间产物脱附速率与热载流子寿命的动态平衡瓶颈。（3）工业化进程中，需融合多尺度流体力学与增材制造技术，开发具有分形流道结构的抗积碳微反应器。通过晶面选择性沉积与原子层钝化技术构建梯度化自修复涂层，可协同提升湍流场中的机械强度与传质效率。（4）系统集成层面应结合人工智能和机器学习等技术，实现对反应过程的实时监测、精准控制和优化，提高系统的整体性能和可靠性。总之，连续流光热催化CO2还原技术有望在未来为全球能源转型和环境治理做出重大贡献。

作者介绍

贺红斌，现为东南大学化学化工学院博士研究生，研究方向为连续流非均相催化CO2资源化转化与利用。在ACS Catalysis, Small., Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science.等SCI收录刊物上发表研究论文16篇，申请/授权国家专利9项。曾获宝钢优秀学生奖、研究生国家奖学金等荣誉，在第九届中国研究生能源装备创新设计大赛等学科竞赛中以第一完成人获得国家级奖励5项。

任宇奇，现为东南大学化学化工学院博士研究生，研究方向为CO2资源化转化与利用。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收录刊物上发表研究论文11篇。主持2025年度东南大学博士研究生创新能力提升计划，并成功入选首届中国科协青年人才托举工程博士生专项计划（中国能源研究会）。

李乃旭教授，现为东南大学化学化工学院博/硕导。2003年~2014年于东南大学分别完成本科、硕士和博士的学习和研究阶段；期间2011年~2013年在国家留学基金委的支持下，于美国佐治亚理工学院进行联合培养，导师为Younan Xia 和 Krista Walton教授。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年学术技术带头人、唐仲英基金会“仲英青年学者”、江苏省“双创计划”科技副总项目、南京高层次创业人才引进计划。主持国家自然科学基金、江苏省教改项目/江苏省自然科学基金、企业横向等项目。以第一或通讯作者在Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie International Edition, ACS Nano, ACS Catalysis, Science Bulletin, Advanced Functional Materials, Nano Energy, AIChE Journal. 等学术期刊发表研究论文100余篇；申请国家发明专利69件，授权40件。