3篇Nature Catalysis，看大牛们想拿CO2怎么样？

CO ₂ 还原是人工光合作用的关键步骤，可以有效解决温室效应，同时实现资源化利用。经过多年研究， CO ₂ 还原虽然取得了一系列重要进展，但是，总的来说，仍然存在 C ₂ 选择性较差、能源转化效率不高、难以规模化生产等重难点问题。

有鉴于此， Nature Catalysis 连续报道了 3 篇 CO ₂ 还原相关的研究成果，对 C ₂ 选择性和规模化转化起到重要借鉴作用！

第一作者：Thomas Haas

通讯作者：Guenter Schmid

第一单位：Evonik Creavis GmbH（赢创）

针对太阳能驱动的人工光合作用系统中，电流密度较低， CO ₂ -CO 电解槽不稳定等问题，西门子公司的 Guenter Schmid 和赢创公司的 Thomas Haas 等团队合作，基于 Ag 纳米催化剂开发了一种在氯碱工业商业化的气体扩散电极材料，作为 CO ₂ 电解槽的正极，实现了太阳能 - 醇转化效率高达 8% 。

图 1. 规模化人工光合作用示意图

首先， Ag 纳米催化剂将 CO ₂ 转化成合成气。然后，合成气在生物反应器中发酵，将 CO 高效转化成醋酸盐、乙醇、丁醇、正己醇等等高附加值化学品。根据发酵工艺使用的细菌种类不同， CO 转化的产物选择性也不同。

这种 Ag 基正极材料可以实现 300 mA cm ^-2 的电流密度，以及超过 1200 小时的连续工作时间。电解槽将光伏电能、 CO2 以及 H2O 转化为醇类化学品的法拉第效率达到几乎 100% 。

这项研究为人工光合作用走向实用化迈出了重要的一步。

Thomas Haas, Guenter Schmid et al. Technical photosynthesis involving CO ₂ electrolysis and fermentation. Nature Catalysis 2018, 1, 32–39.

第一作者：Phil De Luna

通讯作者：Edward H. Sargent

第一单位：多伦多大学（加拿大）

针对电催化还原 CO ₂ 中 C2 ： C1 选择性不佳的问题，加拿大多伦多大学 Edward H. Sargent 团队发展了一种电化学沉积的 Cu 催化剂，具有优异的 C2 选择性。

图 2. 电还原沉积 Cu 纳米催化剂

研究人员以溶胶凝胶材料为基础，缓慢的电化学还原有利于控制 Cu 纳米催化剂的形貌和氧化态。棱角分明的形貌和氧化态之间的相互作用，有效提高了 CO2 还原的 C2 选择性。乙烯电流密度达到 160 mA cm ^-2 （ -1.0V vs RHE ） , 乙烯 / 甲烷比高达 200 。

Phil De Luna, Edward H. Sargent et al. Catalyst electro-redeposition controls morphology and oxidation state for selective carbon dioxide reduction. Nature Catalysis 2018.

第一作者：Kun Jiang

通讯作者：Karen Chan、Haotian Wang

第一单位：哈佛大学（美国）

Cu纳米催化剂由于良好的 C-C 偶联能力，在电催化还原 CO ₂ 制 C ₂₊ 领域具有重要优势。针对 Cu 纳米催化剂在水中 C2 选择性较差的问题，哈佛大学 Haotian Wang 课题组和斯坦福大学 Karen Chan 课题组团队合作，基于 DFT 计算发展了一种金属离子电池循环方法调控纳米 Cu 的晶面，实现了 CO ₂ 高选择性电催化还原制 C ₂₊ 产物。