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香港中文大學(xué)AM綜述：光熱催化CO2轉(zhuǎn)化最新進(jìn)展！

第一作者：Xue Ding

通訊作者：趙俊華，王璐

通訊單位：香港中文大學(xué)（深圳）

論文速覽

二氧化碳（CO₂）對(duì)維持所有生物物種的生存環(huán)境有重要作用，但隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和化石燃料的利用，大氣CO₂的濃度增加到400 ppm，導(dǎo)致了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。

因此，將CO₂轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品至關(guān)重要，尤其是可再生太陽(yáng)能，其以光熱催化的方式顯示出巨大的潛力。

本文綜述了光熱催化CO₂轉(zhuǎn)化技術(shù)的最新進(jìn)展，特別是將CO₂轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能燃料的方法。文中討論了催化劑設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)理分析、反應(yīng)器工程以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。作者強(qiáng)調(diào)了利用可再生太陽(yáng)能將CO₂轉(zhuǎn)化為有價(jià)值化學(xué)品的重要性，并為未來(lái)研究和碳循環(huán)管理提供了指導(dǎo)。

圖文導(dǎo)讀

圖1：光熱催化CO₂轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能燃料的示意圖

圖2：逆水煤氣變換（RWGS）反應(yīng)用于CO合成的示意圖

圖3：光熱CO₂甲烷化的新光熱系統(tǒng)的示意圖、CO₂加氫在SA Ni/Y₂O₃納米片上的產(chǎn)物產(chǎn)率與溫度的關(guān)系、光熱CO₂甲烷化在流動(dòng)反應(yīng)器系統(tǒng)中的示意圖、大型Ru-Al₂O_3-x-L微通道催化劑的SEM圖像、產(chǎn)物產(chǎn)率與流動(dòng)系統(tǒng)中通道孔徑的關(guān)系、3D Ru-Al₂O_3-x-L微通道催化劑模型的有限元模擬、簡(jiǎn)化的單孔模型的壓力和速度輪廓、Ni@p-SiO₂中納米尺度溫室效應(yīng)的示意圖、不同催化劑在不同光照下的局部溫度估計(jì)、有和無(wú)光照射下不同溫度的CH₄形成率、以及提出的B(OH)_x表面受阻路易斯對(duì)反應(yīng)途徑。

圖4：活性與光照波長(zhǎng)的關(guān)系、可見光促進(jìn)甲醇合成的提出的機(jī)理、納米晶（NC）和超結(jié)構(gòu)樣品在250 °C和有/無(wú)太陽(yáng)輻照下的CO₂加氫的甲醇速率、NR 14h在連續(xù)20 h測(cè)試中在大氣壓力下光照下催化CO₂加氫的甲醇速率、In₂O₃和xRu/In₂O₃催化劑在熱催化過(guò)程中（暗）和光助熱催化過(guò)程中（光）的甲醇產(chǎn)率、Cu/ZnO/Al₂O₃(CZA)、S1和S2在批式反應(yīng)器中的光熱催化性能、S0-S4的產(chǎn)物產(chǎn)率和甲醇選擇性、以及S2的¹³CO₂標(biāo)記反應(yīng)的質(zhì)譜。

圖5：不同CoFe-x催化劑的形成示意圖

圖6：太陽(yáng)能碟系統(tǒng)的照片、太陽(yáng)能塔燃料工廠的示意圖、太陽(yáng)能塔燃料工廠在運(yùn)行中的照片、用于在環(huán)境陽(yáng)光照射下從甲烷蒸汽重整（MSR）中生產(chǎn)氫氣的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的光學(xué)圖像、屋頂太陽(yáng)能集中器及其附著的反應(yīng)器的照片、用于在涂覆泡沫上進(jìn)行光熱CO₂氫化的環(huán)形光反應(yīng)器的簡(jiǎn)化方案、以及在太陽(yáng)光照下涂覆泡沫上In₂O₃_-x(OH)_y納米棒催化的RWGS過(guò)程的物理現(xiàn)象的圖形表示

圖7：光熱催化CO₂轉(zhuǎn)化技術(shù)的TEA示意圖

總結(jié)展望

本文深入探討了光熱催化CO₂轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括催化劑設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。盡管存在初始投資和技術(shù)挑戰(zhàn)，長(zhǎng)期的環(huán)保和低成本益使得該方法成為解決CO₂排放挑戰(zhàn)的可行且有利可圖的途徑。

光熱催化CO₂轉(zhuǎn)化是一個(gè)多方面的系統(tǒng)，需要多學(xué)科研究人員協(xié)同攻關(guān)，以促進(jìn)未來(lái)的進(jìn)展。這種合作涵蓋了幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，包括CO₂捕獲、催化劑設(shè)計(jì)、反應(yīng)器工程和過(guò)程優(yōu)化。

最終，任何氣相非均相CO₂光催化過(guò)程的可行性將由其能源和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定，特別是光子-產(chǎn)品轉(zhuǎn)換的成本效率。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Photothermal CO2 catalysis towards the synthesis of solar fuel: from material and reactor engineering to techno-economic analysis

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202312093

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