编辑推荐：
大气中二氧化碳（CO?）浓度的持续升高以及减缓人为温室气体排放的迫切需求，日益增强了科学界对开发可持续碳捕集与利用技术的兴趣。除传统减排策略外，将CO?转化为高附加值化学品、燃料及其他有用产品，为减少对化石基原料的依赖、推动循环碳经济转型提供了机遇。然而，CO
大气中二氧化碳（CO?）浓度的持续升高以及减缓人为温室气体排放的迫切需求，日益增强了科学界对开发可持续碳捕集与利用技术的兴趣。除传统减排策略外，将CO?转化为高附加值化学品、燃料及其他有用产品，为减少对化石基原料的依赖、推动循环碳经济转型提供了机遇。然而，CO?的热力学稳定性、竞争反应路径的复杂性以及其活化所需的能量，构成了重大的科学与技术挑战。此外，CO?转化所带来的环境效益强烈依赖于所需能源与反应物的来源、转化过程的效率以及所得产品的后续利用方式。因此，催化材料、反应工程及创新转化路径的进展，必须辅以对其环境与经济性能的全面评估。
本期特刊题为“CO?转化的创新化学路径”，汇集了五篇原创研究论文和一篇综述论文，从不同角度探讨碳转化与利用策略。这些研究涵盖了CO?加氢先进催化剂的开发、等离子体辅助CO?分解、用于光催化和电化学CO?还原的分子催化剂工程、生物CO?固定以及有机废弃物制一氧化碳等领域。总体而言，这些研究展示了当前为开发更可持续碳管理策略所探索的多样化路径，凸显了将材料科学与催化领域的进展与反应器设计和工艺优化相结合的重要性。
在各类CO?转化技术中，催化加氢因其可生产甲醇和甲烷而备受关注，二者在化工和能源领域均具有成熟应用。甲醇因其作为化学中间体、替代燃料及潜在能量载体的多功能性而尤为引人注目。然而，实现高催化活性、高产物选择性和长期运行稳定性仍具挑战。既往研究强调了优化催化剂组成、金属–载体相互作用及反应条件对提升CO?加氢制甲醇性能的重要性。
在此背景下，Figueroa-Quintero及其合作者研究了负载于改性NH?–MIL–125(Ti)金属有机框架（MOFs）上的铜基催化剂用于CO?加氢制甲醇。通过合成后修饰，部分以锆或铈取代钛，以调控MOF载体与铜纳米颗粒之间的相互作用。所得材料在不同反应条件下进行了表征与评价，以建立催化剂组成与催化性能之间的关联。在所研究的材料中，含钛、锆和铜的催化剂表现出最高的CO?转化率和甲醇选择性，分别约为5%和60%，同时大幅抑制了甲烷生成。这些发现凸显了通过改性MOF结构调控金属–载体相互作用、提升非均相CO?加氢催化剂选择性的潜力。
高效CO?甲烷化催化剂的开发是另一重要研究方向，尤其因其有望与可再生氢生产及电转气系统集成。镍基催化剂因其高催化活性和相对低成本而被广泛研究，然而催化剂失活、金属烧结及载体性质的影响仍是重要挑战。因此，理解催化剂结构、金属活性位点的性质与分布以及催化性能之间的关系，对于开发更高效稳定的甲烷化催化剂至关重要。
Szymaszek-Wawryca及其合作者研究了以偏高岭土（一种源自天然高岭土的材料）为载体的高负载镍催化剂用于CO?甲烷化。含30 wt.%镍的催化剂采用熔融浸渍法制备，并系统评价了CeO?、MgO和CaO作为助剂对其理化性质及催化性能的影响。这些助剂改变了NiO可还原性、金属镍分散度及织构特性等关键性质。特别是，添加MgO相较于未促进材料提高了比表面积和总孔容。促进型催化剂在400 °C下实现了约80%的CO?转化率，接近热力学平衡，同时甲烷选择性保持在97%以上。此外，在24小时连续运行中观察到稳定的催化性能。该研究凸显了将替代性矿物衍生载体与合适助剂相结合，开发高效稳定CO?甲烷化催化剂的潜力。
超越传统热催化技术，研究者正在探索替代活化方法以克服CO?转化相关的一些局限。非热等离子体是一种有前景的替代方案，高能电子可在维持较低体相气体温度的同时活化CO?分子。然而，提高能量效率及深入理解等离子体–催化剂相互作用仍是该技术进一步发展和潜在工业应用的关键挑战。
Golubev及其合作者研究了在近室温操作的介质阻挡放电反应器中，使用介孔氧化铈催化剂进行等离子体辅助CO?分解为一氧化碳。催化剂采用不同合成方法制备并进行了全面表征，以建立其理化性质与等离子体催化性能之间的关联。结果表明，孔结构、表面碱性和等离子体–表面相互作用对CO?转化效率具有重要影响。在所研究的材料中，介孔CeO?催化剂在5 kV输入电压下实现了32.3%的CO?转化率，一氧化碳为唯一检测到的反应产物，选择性接近100%。此外，稳定性测试中未观察到催化剂失活。这些发现凸显了通过调控催化剂孔结构和表面性质来改善等离子体辅助CO?分解的潜力，为优化CO?转化的等离子体催化体系提供了见解。
分子催化剂的理性设计是促进CO?活化并控制反应路径的另一有前景策略。Li及其合作者系统综述了含杂原子金属卟啉基催化剂用于CO?还原的最新进展，重点关注N-混乱及氧或硫取代的金属卟啉。修饰这些分子催化剂的第一配位层可改变催化金属中心的电子性质，从而影响反应中间体的吸附与稳定化，进而影响催化活性和产物选择性。该综述考察了涉及光催化和电催化CO?还原的实验与理论研究，阐明了分子结构、催化活性与反应机理之间的关系，特别关注了杂原子引入的作用，并识别了新型分子催化剂理性设计的机会。这些进展对推进可再生电力驱动的化学品生产尤为相关，其中催化选择性、能量效率和长期运行稳定性仍是重要考量因素。
生物CO?固定通过将碳同化与有价值生物质及生物产品生产相结合，提供了一种互补性碳利用途径。微藻因其光合效率、高生物质生产力潜力及积累多种具有工业应用价值化合物的能力而备受关注。既往研究强调了优化光生物反应器设计、光分布、营养盐可利用性及培养策略对提高CO?固定效率和整体工艺性能的重要性。
在此背景下，Tavares及其合作者研究了使用由异养培养产生的生物源CO?供气的两级光生物反应器系统连续培养雨生红球藻。第一级以自养恒化器模式在不同稀释率下运行，第二级则集成高辐照柱以提升生物质生产力并促进类胡萝卜素积累。该集成系统实现了0.747 g L?1 d?1的最大CO?同化能力和高达94%的CO?固定效率。此外，两级构型相比单级系统将每日CO?同化率提高了约10%。作者还研究了培养条件对生物质生产力、营养盐消耗及色素积累的影响，证明了优化操作策略对改善整体工艺性能的重要性。这些结果凸显了在可持续生物精炼系统中将生物CO?固定与生物质增值相结合的潜力。
作为直接CO?转化和生物固定方法的补充，从有机废弃物获取含碳化学原料的替代策略可促进更广泛的碳增值努力。Sobieraj研究了食物垃圾堆肥过程中一氧化碳的生成，在限氧条件下于实验室规模生物反应器中评价了有机物含量和操作温度的影响。实验考虑了不同的食物垃圾与砾石比例以及45至70 °C的温度范围。在70 °C、食物垃圾与砾石比例为1:2（对应约20%干有机物含量）时获得最高CO浓度。在此条件下，报告的平均CO浓度为655 ppm，最大浓度达2000 ppm。该研究还包括了潜在工业规模CO产量及其经济价值的初步估算。尽管该方法不涉及捕集CO?的直接转化，但通过探索有机废弃物处理过程中产生的一氧化碳的潜在回收利用，为碳增值提供了互补视角。其实际可行性，包括CO回收、纯化、工艺集成及环境性能，仍需进一步研究评估。
综合来看，本期特刊所呈现的研究展示了当前碳转化与利用领域所探索的多样化科学路径。这些研究凸显了理解催化剂结构–性能关系、调控催化活性金属中心的配位环境、集成替代活化方法以及优化生物碳固定过程的重要性。此外，所报告的研究强调需要综合考虑材料性质、反应机理和操作条件，以提升碳转化与利用技术的性能。
尽管取得了上述进展，创新CO?转化工艺在实现广泛工业应用之前仍面临若干科学与技术挑战。催化活性、产物选择性、能量效率及长期运行稳定性的进一步改善仍是关键研究优先事项。此外，未来研究应日益关注反应器放大、过程强化以及这些技术与可再生能源和现有工业基础设施的集成。在现实操作条件下评估这些技术，包括工业CO?气流中杂质的影响，对于评估新兴技术的实际适用性尤为重要。
CO?转化技术的环境与经济性能也必须在其开发的早期阶段予以考虑。这些过程对工业脱碳的潜在贡献不仅取决于转化效率，还取决于所消耗能源与反应物的来源、催化剂及设备生产相关的环境影响，以及所得产品的后续使用和归宿。因此，技术经济评估和生命周期评估是识别技术局限、建立现实性能目标及量化潜在环境效益的重要工具。
总之，本期特刊概述了碳转化与利用创新化学和生物路径的最新进展。这些研究证明了整合化学、材料科学、催化、生物技术、化学工程和可持续性评估的多学科研究的重要性。研究人员希望这些研究能激发进一步的科学讨论，鼓励跨学科合作，并支持开发日益高效和可持续的技术，为工业脱碳和循环碳经济转型作出贡献。
研究人员衷心感谢所有为本期特刊投稿的作者，以及提供宝贵意见和建设性评价的审稿人。研究人员也感谢Molecules编辑团队在整个编辑过程中的协助与支持。
《CO?转化的创新化学路径：多学科研究进展解读》
一、研究背景与科学问题
大气CO?浓度持续攀升及人为温室气体减排的迫切需求，推动科学界加速探索可持续碳捕集与利用（CCU）技术。将CO?转化为高附加值化学品、燃料及有用产品，不仅有助于减少对化石基原料的依赖，更是迈向循环碳经济的关键路径。然而，CO?分子具有极高的热力学稳定性，其活化需要克服显著的能垒；同时，竞争性反应路径的复杂性以及活化过程的高能耗，构成了重大的科学与技术挑战。此外，CO?转化技术的环境效益并非必然为正，其取决于能源与反应物的来源、转化效率及产品的后续利用方式。因此，单纯追求转化率的提升远远不够，催化材料创新、反应工程优化必须与技术经济评估和生命周期评估同步推进，方能客观衡量其脱碳贡献。
二、研究内容与总体结论
本期特刊汇集了五篇原创研究论文与一篇综述论文，系统展示了CO?转化与利用领域的多样化技术路径，涵盖热催化加氢、等离子体辅助分解、分子催化剂工程、生物固碳及有机废弃物碳回收等方向。总体结论表明：通过调控催化剂组成、载体结构、金属–载体相互作用及配位环境，可显著提升CO?转化的活性与选择性；等离子体等替代活化方式为低温CO?转化提供了新可能；生物固定路径在适宜的光生物反应器设计中可实现高效碳同化；有机废弃物处理过程中伴生的CO也可作为碳增值的补充来源。研究同时强调，上述技术的工业应用仍需在反应器放大、过程集成、真实工况验证及全生命周期评估等方面持续攻关。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了多种先进材料制备与表征技术：金属有机框架（MOFs）的合成后修饰（以Zr或Ce部分取代Ti）用于调控载体与金属纳米颗粒的相互作用；熔融浸渍法制备高负载量镍基催化剂并引入CeO?、MgO、CaO等助剂；介孔CeO?催化剂采用不同合成方法制备，结合介电屏障放电（DBD）反应器实现近室温等离子体催化；分子催化剂领域采用实验与理论计算相结合的方法研究杂原子取代金属卟啉的电子结构调控；生物固碳方面构建了两级光生物反应器系统，以异养培养产生的生物源CO?供气培养雨生红球藻；有机废弃物研究采用实验室规模生物反应器，在限氧条件下考察不同温度与物料配比对CO生成的影响。上述方法均辅以系统的材料表征（如织构性质、还原性、分散度等）与催化性能评价。
四、研究结果分述
1. MOF改性铜基催化剂用于CO?加氢制甲醇。 Figueroa-Quintero等通过合成后修饰以Zr或Ce部分取代NH?–MIL–125(Ti)中的Ti，调控MOF载体与铜纳米颗粒的相互作用。研究发现含Ti、Zr、Cu的催化剂表现出最优性能，CO?转化率约5%，甲醇选择性约60%，同时显著抑制甲烷生成，证实了MOF结构修饰对金属–载体相互作用及产物选择性的调控潜力。
2. 偏高岭土负载高载量镍催化剂的CO?甲烷化。 Szymaszek-Wawryca等采用熔融浸渍法制备了30 wt.%镍负载催化剂，系统比较了CeO?、MgO、CaO助剂的作用。MgO的添加显著提高了比表面积和总孔容。促进型催化剂在400 °C下实现约80%的CO?转化率，接近热力学平衡，甲烷选择性保持在97%以上，且24小时连续运行性能稳定，展示了矿物衍生载体与助剂协同设计的可行性。
3. 介孔CeO?催化剂的等离子体辅助CO?分解。 Golubev等在近室温DBD反应器中研究了不同合成方法制备的介孔CeO?催化剂。结果表明孔结构、表面碱性与等离子体–表面相互作用共同决定CO?转化效率。最优催化剂在5 kV电压下实现32.3%的CO?转化率，CO选择性接近100%，且无失活现象，为低温等离子体催化CO?转化提供了优化方向。
4. 杂原子金属卟啉分子催化剂综述。 Li等系统综述了N-混乱及O/S取代金属卟啉在光催化和电催化CO?还原中的研究进展，阐明第一配位层杂原子修饰可改变金属中心的电子性质，进而影响中间体吸附与稳定化，最终调控催化活性与选择性，为分子催化剂的理性设计提供了理论框架。
5. 两级光生物反应器系统的生物CO?固定。 Tavares等构建了两级光生物反应器，以异养培养产生的生物源CO?供气连续培养雨生红球藻。集成系统实现最大CO?同化能力0.747 g L?1 d?1，CO?固定效率高达94%；两级构型较单级系统将日CO?同化率提升约10%，同时考察了培养条件对生物质产量、营养盐消耗及色素积累的影响。
6. 食物垃圾堆肥过程中的CO生成。 Sobieraj在限氧条件下研究了不同温度（45–70 °C）和食物垃圾/砾石比例对CO生成的影响。在70 °C、比例1:2（约20%干有机物含量）条件下获得最高CO浓度，平均655 ppm，最大2000 ppm，并初步估算了工业规模CO生产的经济价值，为有机废弃物碳回收提供了补充视角。
五、讨论与结论
讨论部分指出，尽管本期特刊展示了CO?转化技术的显著进展，但距离大规模工业应用仍存在诸多挑战。未来研究需优先解决催化活性、产物选择性、能量效率及长期稳定性的进一步提升；同时应加强反应器放大、过程强化以及技术与可再生能源和现有工业基础设施的集成。在真实工业条件下（含杂质气流）验证技术性能尤为关键。此外，技术经济评估和生命周期评估必须从开发早期阶段介入，以量化环境效益、识别技术瓶颈并建立现实性能目标。
研究结论强调，CO?转化的创新路径依赖于化学、材料科学、催化、生物技术、化学工程及可持续性评估的多学科协同。本期特刊所展示的研究成果为开发更高效、可持续的碳转化技术奠定了重要基础，有望推动工业脱碳进程和循环碳经济转型。
