综述：利用二维纳米材料光催化和光电化学将CO2 还原为高附加值化学品

这篇综述系统探讨了二维（2D）纳米材料在光催化（PC）和光电化学（PEC）还原CO2 中的前沿进展，重点分析了层状双氢氧化物（LDHs）、过渡金属二硫化物（TMDs）、MXenes和共价有机框架（COFs）等材料的独特电子结构、光吸收特性及催化机制，为碳中和能源经济提供了创新解决方案。

　　

摘要

全球变暖与CO₂
排放的严峻形势催生了新型减排技术。光催化和光电化学（PEC）还原CO₂
因其直接利用太阳能驱动反应的优势成为研究热点。二维（2D）材料凭借超薄结构、高比表面积和可调电子能带，显著提升了CO₂
转化效率。例如，LDHs的层间阴离子交换能力可优化中间体吸附，而TMDs的量子限域效应增强可见光响应。MXenes的高导电性加速电荷分离，COFs的孔隙结构则促进反应物传质。机器学习（ML）的引入进一步加速了材料筛选与性能预测。

引言

2023年全球气温较工业化前升高1.36°C，能源相关CO₂
排放达374亿吨。传统碳捕获技术（CCS）能耗高，而生物转化效率低下。2D材料的崛起为这一困境带来转机：石墨烯的发现开启了材料新纪元，g-C₃
N₄
的2.7 eV带隙使其成为可见光响应的理想催化剂。应变工程可调控2D材料的能带结构，而边缘活性位点大幅提升CO₂
吸附能力。

光催化CO₂

还原机理
CO₂
分子中C=O键能高达800 kJ/mol，需光生电子-空穴对驱动还原。2D材料的短电荷迁移路径抑制复合，如MoS₂
的硫空位可降低*COOH形成能垒。PEC体系通过外电场辅助进一步提升法拉第效率，TiO₂
/Ti₃
C₂
T_x
异质结实现CH₃
OH选择性达92%。

材料进展

LDHs：MgAl-LDH的碱性位点促进CO₂
活化，NiFe-LDH将CO选择性提升至95%。
TMDs：单层WS₂
的带边位置匹配CO₂
/CH₄
氧化还原电位，Se掺杂使产氢量提高3倍。
MXenes：Ti₃
C₂
表面-OH基团稳定*CO中间体，与CdS复合后CH₄
产率提升40%。
COFs：TPB-DMTP-COF的卟啉单元实现CO产率1280 μmol/g，金属化后Fe-COF的电子迁移率提高10倍。

挑战与展望

当前面临规模化制备、稳定性及产物选择性调控等难题。ML可逆向设计材料组分，如预测Co@COF的d带中心与活性的构效关系。原位表征技术（如XAS）将揭示反应动态过程，而微流控反应器有望实现连续化生产。

结语

2D材料为CO₂
资源化提供了原子级精准调控平台，其与人工智能的深度融合将加速碳中和目标实现。