通訊作者：Geoffrey A. Ozin
通訊單位：多倫多大學化學系
加拿大多倫多大學Geoffrey Ozin教授近日在Chemical Society Reviews上發表題為“Shining light on CO2: From Materials Discovery to Photocatalyst, Photoreactor and Process Engineering”的教程綜述（tutorial review）文章, 以紀念Ozin教授的77歲生日。Ozin課題組在多相光催化二氧化碳（CO2）加氫領域有著近十年的研究經驗。此綜述是由化學、理論計算和工程系三個專業的研究者共同完成，旨在以氧化銦系列催化劑為例，從催化劑修飾、理論計算設計、反應器優化和催化反應效率評估四個方面完整地展現多相光催化CO2加氫反應將太陽能轉化為化學能的研究思路。
研究亮點：
1.通過修飾催化材料和調整反應器以提高多相光催化CO2加氫反應速率
2.通過巧妙設計理論計算模型來幫助研究催化機理，以及光和熱對于催化反應的影響
3.對比CO2轉化反應里的不同催化機理：光化學催化，熱化學催化和光熱催化
4.列舉評估光催化反應的可行性和應用前景時所需要考慮的參數
一、研究背景和文章初衷
多相光催化CO2加氫在解決溫室氣體CO2排放問題和清潔能源生產上極具應用前景。在此領域發展的幾十年來，已經有許多優秀的綜述發表，但都主要集中在液相催化或是著重于催化材料和催化機理的介紹上。氣固多相光催化CO2加氫反應相比于液相反應具有產物易分離、高選擇性和高產率的優點，并與現代工業使用的熱催化反應系統更易結合。隨著光熱催化劑的發展，光催化CO2加氫反應的光能利用率也得到大大的提高。伴隨著這些機遇，氣固多相光催化CO2加氫要實現工業化應用還面臨著許多挑戰，例如在長時間反應下催化材料的活性和穩定性，催化機理的復雜性，反應器的設計對催化效率的影響，和整體生命周期評估下的經濟環保效益。
此綜述面向廣泛的讀者群：無論是已經在CO2光催化領域的學者，或是對此領域感興趣的讀者，希望通過介紹，都能了解此領域研究所涵蓋的重要學術分支及對應的研究思路；伴隨著實際研究案例的介紹，本文為讀者完整地展現此領域高度學科交叉的特點，也希望能夠鼓勵更多跨學科的合作。
二、文章概覽
要點1：催化劑里的變色龍-金屬氧化物
金屬氧化物半導體材料由于較高的化學穩定性和可塑性在光催化反應中應用廣泛。在氣固多相反應里，決定光催化劑催化效率的主要因素有三個：（1）催化劑對不同波段光的吸收能力；（2）光生電子的存活時間；（3）催化位點在捕捉反應分子和活化反應分子的能力。因此，好的光催化劑需要同時具備優秀的光電性能和高活性的催化位點。帶有表面羥基和氧空位的缺陷氧化銦在氣相光催化二氧化碳加氫反應里具有較高活性。為了進一步提高氧化銦材料的催化活性和穩定性，研究者們采用不同修飾方法對氧化銦的光電性能和表面活性位點進行調節。這些方法包括：制備不同形貌、不同晶相的氧化銦、摻雜其他金屬元素、制備黑色氧化銦引入光熱效應和與其他半導體載體結合形成異質結構。
圖1: 文章中列舉的不同氧化銦材料及修飾方法之間的聯系
要點2：資源有限，該如何設計合適的理論計算模型
催化材料性能的進步和提高離不開對催化反應機理的了解。然而，在研究金屬氧化物半導體催化劑和光催化反應機理的過程中，研究者會在模型設計和實施上遇到很多阻礙，并往往需要同時兼顧模型的準確性和計算資源的利用效率。文章中“Computational Modelling”部分以帶有表面羥基和氧空位的缺陷氧化銦材料為例，介紹了在研究材料表面活性位、催化機理、光效應和熱效應這些情況下模型設計背后的故事。
要點3：材料活性不高，可能是反應器出了問題
在氣固多相光催化反應研究中最常使用的反應器包括密閉反應器（batch reactor）和流式反應器（flow reactor）。通過模擬計算，我們發現這些傳統的反應器在光傳遞和熱傳導上面具有很多缺陷，從而影響了最終的催化效率。針對這個問題，文章中“Photoreactor Design, Modelling, and Photocatalyst Testing”部分列舉了如何結合環形反應器和導光導熱載體的使用，來提高催化效率。
圖2：模擬計算研究現在普遍使用的反應器的光傳遞和熱傳導性能
要點4：我們離工業應用還有多遠
目前在CO2光催化加氫的研究中，關于催化效率大家普遍報道的是反應速率，轉化率這些參數。但是要真正實現工業化應用，我們需要從碳效率（carbon efficiency）, 光及能源效率（Photo & Energy efficiency）, 空間需求（Space requirement）, 減少溫室氣體的潛力（GHG reduction potential）和投資回報率（Return on Capital Investment）這五方面綜合來看。文章中“Potential of Photocatalytic Processes”部分向大家概述了這些因素的重要性和評估方法。
參考文獻及原文鏈接
Chem. Soc. Rev., 2020,49, 5648-5663
DOI: 10.1039/D0CS00597E
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00597e
作者簡介
Geoffrey A. Ozin 是多倫多大學杰出教授和加拿大政府材料化學與納米化學研究會主席。他如今領銜多倫多大學“太陽能燃料團隊”。同時他也是英國皇家協會和倫敦大學的名譽教授，倫敦納米技術中心的外部顧問，德國馬普所表面和膠體科學研究所等學術機構的高級科學家。他發表過三本書，分別是最近出版的The story of CO2: big ideas for a small molecule，2009年出版的Concepts of Nanochemistry 和2006年出版的Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials。
課題組主頁：http://www.solarfuels.utoronto.ca/
