【摘要】 深度解析光催化CO₂还原制太阳能燃料技术：从催化剂设计（TiO₂/g-C₃N₄/CdS）、能带调控到产业化路径，揭示如何突破效率与选择性瓶颈。

光催化CO₂还原（CO2RR）利用太阳能将二氧化碳转化为碳氢燃料，为同时解决能源危机和碳排放问题提供了可持续路径。尽管该技术自Inoue团队开创性研究以来取得显著进展，但其产业化仍受制于催化剂效率低、产物选择性差及副反应竞争三大瓶颈。

 

一、核心机制与催化材料设计

光催化CO₂还原的核心在于高效催化剂开发。目前主流材料包括：

  • ​金属氧化物​（如TiO₂）：稳定性强、低毒性，但可见光响应弱；
  • ​非金属聚合物​（如g-C₃N₄）：能带结构可调，易与其他半导体复合；
  • ​金属硫化物​（如CdS）：光吸收性能优异，常需复合改性提升稳定性。

图1. 主要内容。[1]

 

二、性能优化关键路径

1.电荷分离调控​

通过能带工程（图2b）减少电子-空穴复合（图2c），可提升光能转化效率。

2.形态结构设计​

多孔结构增强CO₂吸附，纳米级催化剂提供更多活性位点。

3.副反应抑制策略​

调控催化剂表面性质可有效抑制析氢反应（HER），提高CO₂还原选择性。

图2. (a)直接带隙和间接带隙示意图。(b)部分催化剂的能带结构。(c)光催化剂上电荷复合示意图。(d)光催化CO2还原的传播示意图。[1]

 

三、工业化挑战与创新方向

当前限制因素包括：

✅ 理论体系不完善

✅ 大规模制备成本高

✅ 产物分离技术瓶颈

钢铁-化工联产模式被提出作为可行产业化路径，通过耦合工业排放点与反应装置实现碳循环利用。

 

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