综述：高效低浓度二氧化碳光还原的前沿策略

《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》：Cutting-edge strategies for efficient low-concentration CO 2 photoreduction

本综述系统评述了低浓度CO2光还原（LC-CO2PR）领域的前沿策略，重点探讨了通过高比表面积框架（MOFs/COFs）、缺陷工程、异质结构建等光催化剂设计，以及结合直接空气捕获（DAC）、氧气耐受等应用导向策略，克服低CO2浓度（如~400 ppm）下动力学缓慢、活性位点可及性差等挑战，为实现可扩展的碳中和技术提供路线图。

　　

Fundamental of CO₂ photoreduction

光催化CO₂还原利用太阳能将CO₂转化为燃料和化学品，是一种可持续的碳中和技术。然而，在低浓度CO₂条件下（如大气中的~0.04%），该过程面临固有挑战：CO₂分子稳定性高、在催化剂表面吸附缓慢、光生电荷容易复合。这些因素导致在稀释环境中反应动力学显著减慢，活性位点覆盖率低，最终影响还原效率和产物选择性。理解CO₂在催化剂表面的吸附、活化机制以及多电子转移路径，是设计高效低浓度CO₂光还原系统的理论基础。

Innovative Photocatalyst Design Strategies for Low-concentration CO₂ Photoreduction

为提升低浓度CO₂光还原性能，研究人员发展了多种创新的光催化剂设计策略。高比表面积材料如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）能够增强CO₂的吸附和富集。缺陷工程（如氧空位V_O、铋空位V_Bi）可调节催化剂电子结构，创建新的活性位点，促进CO₂分子的活化。异质结构造（如ZnO/g-C₃N₄）和贵金属修饰（如Pt、Au）能有效分离光生电子-空穴对，提高量子效率。此外，共轭多孔聚合物等材料也因其可调谐的能带结构和孔道特性而受到关注。这些策略共同致力于解决低浓度环境下CO₂传质受限和电荷利用效率低的核心问题。

Emerging application-oriented strategies for low-concentration CO₂ photoreduction

面向实际应用，新兴策略侧重于将光催化与辅助技术集成或提升系统环境耐受性。直接空气捕获（DAC）技术与光催化反应器结合，可预先浓缩大气中的CO₂，为光还原反应提供更高的反应物浓度。开发在氧气（O₂）、硫氧化物（SO_X）等杂质存在下仍能保持活性的催化剂至关重要，因为真实环境（如烟气、空气）中这些气体普遍存在。例如，镍-沙洛芬框架（nickel-salophen frameworks）等地球丰产金属催化剂显示出良好的氧气耐受性。这些应用导向的方法推动了低浓度CO₂光还原技术向实际场景的迈进。

Summary

尽管低浓度CO₂光还原已取得显著进展，例如镍-MOF（Ni-MOF）单层材料等体系表现出高的一氧化碳（CO）产率，但选择性生成C₂₊产物（如乙烯、乙醇）仍然罕见且能耗较高。未来发展方向包括合理设计分级结构、开发多功能催化剂、结合原位机理研究以及利用人工智能（AI）和高通量筛选加速材料发现。这些努力共同勾勒出在现实条件下实现可扩展CO₂转化技术的路线图。