综述：光催化二氧化碳还原技术的当前进展与未来展望

《Journal of Energy Chemistry》：Current state of the art and future perspectives for photocatalytic CO 2 reduction

光催化二氧化碳还原（PCCO2R）作为环境友好型技术，近年研究热点集中在新型半导体材料开发（如g-C3H4、MOFs、钙钛矿）及纳米结构应用，但缺乏标准化测试导致文献结果可比性不足。未来需结合人工智能加速材料筛选，并建立统一评估体系。

　　

P?nar ?zdemir|Ramazan Y?ld?r?m

博阿齐奇大学化学工程系，土耳其伊斯坦布尔贝贝克，邮编34342

摘要

近年来，光催化CO₂还原作为一种环保方法被广泛研究，旨在减少CO₂排放并生产更有价值的化学品。本研究旨在通过分析关键出版物趋势、作者关键词中的重复模式以及材料和方法的最新发展来评估该技术的现状；同时，还考虑了可能影响未来研究的挑战和进展，提出了一些展望。大多数研究工作集中在寻找更好的半导体上，从传统的TiO₂到相对较新的材料如g-C₃H₄、MOFs和钙钛矿。近年来，纳米结构（如纳米颗粒、纳米管和纳米片）的应用也受到了更多关注。似乎新半导体的发现和设计在未来研究中仍将至关重要，这表明利用人工智能，特别是最近开发的具有强大搜索能力和类人推理能力的人工智能工具，可能会对该领域做出重大贡献。此外，建议在该领域建立一些标准的测试和报告协议，以衡量实际性能并准确评估进展，因为目前的实验方法（尤其是与光源相关的方法）存在不确定性，导致文献中的结果无法相互比较。

引言

随着人口增长和生活水平提高，全球能源需求持续增加；目前世界的主要能源仍然是化石燃料，它们不仅是CO₂排放的主要来源，而且正在迅速枯竭，这在未来可能引发能源短缺的风险。CO₂是导致全球变暖的关键温室气体，这一点从全球创纪录的高温、干旱和洪水等现象中可见一斑。根据联合国环境规划署发布的2023年《排放差距报告》，全球温室气体排放量达到了57.4吉吨二氧化碳当量（GtCO₂e）的创纪录水平，其中三分之二是来自化石燃料的CO₂ [1]。虽然基于可再生资源、几乎不产生或产生较少CO₂排放的新能源转换技术已得到广泛研究，但也有大量努力致力于将已产生的CO₂转化为更有价值的化学品。例如，近年来对甲烷的干重整、生物重整和三重整、直接转化为酒精、电化学还原以及微藻中的生化利用等过程进行了广泛研究 [2]。在所有这些过程中，光催化CO₂还原（PCCO₂R）和光电化学CO₂还原（为保持论文篇幅，此处不予讨论）受到了特别关注，因为它们模仿了植物的人工光合作用——这是地球上最关键和最有效的过程之一，也是自然界中CO₂循环的主要途径。PCCO₂R可以在两相（气-固）或三相（气-液-固）光催化反应器中进行 [2]，可将CO₂转化为气体相中的CO、CH₄和C₂H₄，以及液体相中的CHOOH、CH₃OH和C₂H₆OH等有价值的产品。

然而，开发出商业上可行的PCCO₂R工艺说起来容易做起来难；大多数可用作光催化剂的半导体（通常与助催化剂一起使用）在可见光下是不活跃的，而可见光占太阳辐射的主要部分。因此，大量的半导体和助催化剂候选材料已经经过了光催化CO₂还原活性的测试，在过去10-15年间发表了超过15,000篇相关论文，且发表频率持续增加（见图1 [3]）。除了研究文章外，还发表了大量综述文章 [4]、[5]、[6]、[7]。近年来，也有许多关于CO₂还原的文献计量分析研究，但这些研究大多集中在特定材料上。例如，Guo等人对g-C₃N₄的光催化应用进行了文献计量分析 [4]，Mishra等人分析了2018-2023年间基于In₂S₃的光催化CO₂还原相关的研究 [5]，Wang等人则分析了1991-2014年间关于金属有机框架（MOFs）的相关出版物 [6]。Nabgan等人则研究了基于纳米结构的材料在光电化学氢生产中的应用 [7]。据我们所知，尚未有研究涵盖整个PCCO₂R领域的文献，这有助于研究人员全面了解该领域的情况。

用于开发更合适光催化剂的材料和方法的多样性，以及缺乏用于测试这些催化剂并与其性能进行可比性评估的标准协议，使得评估该领域的进展变得非常困难，需要进行全面评估。为了有效评估PCCO₂R的现状，我们通过分析作者关键词对已发表的文献进行了全面梳理，以识别出版物趋势、材料选择模式、常用的合成和改性方法以及产品分布。尽管我们尽量简化了分析和综述内容，但仍然为未来的工作提供了广泛的展望，考虑了当前发展的主要挑战和机遇，尤其是人工智能方面的进展。

方法部分

方法论

2025年2月25日，在Web of Science (WOS)上使用关键词photocatalytic CO₂ reduction或photocatalytic carbon dioxide reduction进行了主题搜索。搜索结果找到了1990年至2024年间发表的14,262篇关于PCCO₂R的论文（我们没有指定起始日期；这是上述主题搜索中第一篇论文出现的日期）。通过年度出版物统计数据和作者关键词来了解当前的研究状况

基础知识

光催化反应器基本上由光催化剂在太阳光照射下与CO₂和水（或湿气）接触；该过程可以在气相中进行，将CO₂和H₂O混合物送过光催化剂；也可以在液相中进行，将CO₂通入含有水和光催化剂的水溶液中（见图2）。细节上可能存在其他变体 [2]、[8]。

在PCCO₂R过程中，使用由半导体和助催化剂组成的光催化剂

半导体类型

光催化剂通常由半导体和助催化剂组成，应能有效捕获太阳光并产生电子-空穴对，从而催化还原反应 [16]、[17]。许多半导体已被测试用于还原CO₂并生产更有价值的太阳能产品，如CH₄、CO、CH₃OH和HCOOH，同时消除CO₂ [18]。根据上述WOS论文中的作者关键词构建的数据集进行了分析，以确定最常用的半导体类型

未来展望

作为主要的温室气体，管理CO₂排放对于实现可持续未来至关重要；因此，人们正在研究各种技术来消除或利用CO₂以生产更有价值的化学品，同时也在不断探索更清洁的能源生产技术，这些技术的CO₂排放量更低。CO₂的利用方式多种多样，从直接使用（如灭火器、干冰、溶剂或碳酸饮料）到将其转化为其他化学品（包括合成产品）

结论

近年来，光催化CO₂还原成为热门研究课题，因为它是一种环保的方法，可以将主要的温室气体CO₂转化为更有价值的产品，并有助于自然界的CO₂循环。出版物趋势，尤其是作者关键词表明，所有相关材料都受到了关注；然而，要实现这些技术的成功商业化，仍需克服许多重大挑战。

CRediT作者贡献声明

P?nar ?zdemir：撰写——原始草案、研究、数据分析、数据整理。Ramazan Y?ld?r?m：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了博阿齐奇大学研究基金（项目编号：19788）的财政支持。

P?nar ?zdemir是伊斯坦布尔博阿齐奇大学化学工程系的博士候选人，目前与Ramazan Y?ld?r?m教授在Y?ld?r?m研究小组-SOLCAT & 机器学习实验室合作。她的研究兴趣包括利用太阳能进行可持续能源生产、光催化水分解和甘油重整、光催化CO₂还原、数据挖掘以及用于可持续能源生产的机器学习算法。