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自1751年以来，仅4000多亿公吨的碳从化石燃料和水泥生产的消耗中释放到大气中。其中一半的化石燃料二氧化碳排放发生在上世纪80年代末。2014年全球化石燃料碳排放量估计为98.55亿吨碳，创下历史新高，比2013年增加了0.8%。这一小幅增长延续了三年来年均2%以下的温和增长趋势。这种温和的增长是在2008-2009年全球金融危机后迅速复苏的，这场危机对经济和能源使用产生了明显的短期影响，特别是在北美和欧洲。
在全球范围内，2014年，液体和固体燃料占化石燃料燃烧和水泥生产排放量的75.1%。2014年，天然气燃料（如天然气）的燃烧占化石燃料总排放量的18.5%（18.23亿吨碳），反映了全球天然气利用率的逐步提高。水泥生产排放量（2014年为5.68亿吨碳）在过去十年中翻了一番多，目前占全球化石燃料燃烧和水泥生产二氧化碳排放量的5.8%。上世纪70年代，天然气燃烧约占全球排放量的2%，现在却只占全球化石燃料排放量的不到1%。
人口的快速增长和技术的进步，在不受限制的矿物燃料开发的推动下，导致大气中人为排放的二氧化碳等温室气体显著增加，进而导致气候变化的速度加快，威胁着我们这个活着的星球的未来。全球人为二氧化碳排放量目前估计约为每年365亿吨。在《京都议定书》和《巴黎协定》等条约中，减少二氧化碳排放被认为是防止全球变暖后果的关键。在这方面，碳捕获和储存（CCS）以及其次是碳捕获和利用（CCU）对于控制人类活动产生的CO2排放至关重要。
CCU的目标是捕获废气或大气中的CO2，并将其用作工业过程中的原料，以生产更具经济价值的产品。将二氧化碳转化为化学品、燃料、混凝土建筑材料和微藻燃料，并将其应用于提高石油采收率是催化裂化的一些途径。这些途径可以减少工业二氧化碳排放，取代化石燃料的使用，并有助于减少大气中的二氧化碳。将二氧化碳用于工业燃料生产构成了一种“循环”途径，即碳在数天、数周或数月的时间尺度上通过不同的工业系统循环移动。
二氧化碳利用可再生能源生产燃料，可以方便地以液体燃料的形式输送可再生能源，液体燃料可以方便地运输和储存。在几十年的时间范围内，将二氧化碳转化为化学物质将有利于二氧化碳的储存。然而，与燃料转化为二氧化碳相比，其逆过程的量目前是相当低的。
为此，近年来有大量顶尖科研工作者正在攻克CO2还原的重重难关，他们为此做出了巨大贡献。在过去的一个月里（2020年5月），更是发表了诸如Science，Nature，Nature Energy，Nature Catalysis，Nature Communications，Angew等20余篇优秀的工作。
清华大学王训教授课题组是国内早期研究CO2电催化还原的领先团队之一，王教授指出CO2电化学还原是目前研究比较热门的一个领域，然而这个领域里有很多科学和工程的问题和难点都需要一一解决，比如新型催化剂的开发，新型电解池的设计，新型催化体系的建立，以及催化机理的分析。很多问题往往纠缠在一起，从而复杂化研究过程。可以认为自然界经过千万年演化出来的光合作用是一个非常值得学习的过程，以此获得灵感来探索CO2电还原可能是一条有效的路径。
下面就让主编为大家梳理一下本月CO2领域的一些代表作，如有不足的地方还请各位大佬见谅。
根据5月份发表的相关文章，这里收录了22篇CO2还原领域的代表作（未完全收录，请见谅），用以简要介绍和分享当前CO2还原研究概况。报告分为7个部分，分类参见目录部分，简要内容如下。
1. CO2研究的关键问题及问题起源、催化剂和先进原位研究方法
如何准确预测全球CO2排放量对于评估当前环境问题具有纸管重要的作用。许多内陆水域因全球变化表现出完全或部分干涸甚至消失，使沉积物暴露在大气中。然而，来自这些沉积物的二氧化碳(CO2)排放数据太少，不足以提升排放水平，以至于无法进行全球评估，也无法了解其基本驱动因素。德国姆霍兹环境研究中心的P. S. Keller等人在国际知名期刊Nat. Comm.（ref. 1.1）介绍了一项全球调查的结果，该调查涵盖了涵盖各种生态系统类型和气候区的196个内陆干旱水域。结果表明，它们的二氧化碳排放具有共同的基本驱动因素，在内陆水域的碳循环中占相当大的比例。内陆干水域的碳排放是内陆水域碳循环的重要组成部分，而且可能还会增加。他们的研究调查旨在弄清内陆干旱水域的CO2排放值是否与水生生态系统或陆生生态系统的二氧化碳排放值更接近，以便提高当前全球CO2排放预测模型的准确性。
同时，威斯康星大学麦迪逊分校Christopher Zahasky，伦敦帝国理工学院Samuel Krevor展示了一种物流增长模型（资源评估中的一种常用工具，ref. 1.2）是如何在减缓气候变化中发挥作用。该物流增长模型为分析气候变化提供了一个工具。这些模型不是预测性的，也不包括对特定政策或技术的机械性描述。相反，结果表明，它们可以提供一个基准，用于确定符合气候变化缓解目标和历史碳储存数据的最低增长率和最大发现的储存资源需求。
以上研究方法对于准确预测今后CO2排放和减排具有重要的指导意义。在CO2催化剂方面，新加坡国立大学 Sibudjing Kawi，天津大学巩金龙教授等就目前CO2转换的新型催化剂研究在国际知名期刊Chem Soc Rev上总结了一类相对较新的纳米材料：核-壳结构催化剂（ref. 1.3）。对于CO2转化，核壳催化剂可以提供独特的优势，解决CO2重整过程中催化剂烧结和活性损失、热催化CO2加氢反应产物选择性不足、光催化和电催化CO2加氢反应效率和选择性低等难题。
与此同时，清华大学王训教授总结了一种基于卟啉基的”类叶绿体“催化剂。王训教授指出：“自然界CO2还原过程可以认为是在一定的温度条件下吸收太阳光，发生一系列的电子、质子传递过程，从而实现CO2还原，这可以认为是一个多种能量（光能、热能等）耦合的还原过程。该过程中一个核心“催化剂”是叶绿素，主要包含卟啉镁结构，因此，我们的研究也基于卟啉基催化剂，以及外场耦合电解过程展开，扩展到其他具有明确化学结构的催化剂及相关的催化过程。这篇文章综述（Adv. Energy Mater., ref. 1.4）了该类研究的起源及发展过程，并作出了一定的展望。“ 该文第一作者杨德仁表示：”这类催化剂往往也是一般意义上的单原子催化剂，但我们也有一些新的要求，因此可能比一般单原子催化剂更有特点。同时，从化学的角度出发，我们也展望了具有明确结构的多原子催化剂，这也可能是未来会出现的一类新型催化剂。“
在CO2先进研究方法这一领域，中国科学技术大学谢毅院士和孙永福教授在JACS（ref. 1.5）上讨论各种原位表征技术的工作原理、优点和局限性，并且详细介绍了近年来对CO2还原过程中催化剂形态、晶相和价态变化的原位研究等，这项工作将有助于加深对原位研究如何揭示CO2还原过程动态变化的理解，从而有助于设计更精细、更有效的原位表征技术，进一步深入研究CO2转化的机理。
2.1 Science：人造叶绿体的诞生
自然界将复杂的生物合成和能量转换任务整合到叶绿体和线粒体等细胞内。叶绿体将光转化为化学能，推动二氧化碳的固定。
在这里，德国马普所Tobias J. Erb等人设计了一种仿生叶绿体锚固CO2的方案，他们报道了一半天然，一半合成的人造“叶绿体”，并利用光和该系统实现了CO2的固定。这是利用微流控技术，通过在细胞大小的液滴中封装和操作光合膜，开发出的一种叶绿体模拟物。这些液滴可以被光激发，为酶或酶级联提供能量，并对其催化性能进行多重和实时分析。
在过去的 200 年内，人们对光合作用的认识不断加深。1915 年诺贝尔奖获得者威尔施泰特首次从绿色植物的叶片中分离纯化出了叶绿素，并阐述了它的化学组成，为人们从分子水平上认识光合作用奠定了基础。此后的 1961 年、1988 年、1997 年诺贝尔化学奖，也都颁发给了关于光合作用的研究成果。
Erb教授长期致力于人工叶绿体的应用研究。早在 2016 年，Erb就在自己位于德国的生物学研究所的实验室开发了一种人工碳固定方案。该方案称为 Cetch 循环，可以通过一系列自然和工程化酶（包括巴豆酰 CoA /乙基丙二酰 CoA /羟基丁酰 CoA）将二氧化碳转化为有机分子，并且这一方案比天然植物固定碳的效率更高。当然，仅仅实现 CO2 的固定和光能的利用并不能满足 Erb 教授的“野心”。为了实现人造叶绿体的量产，同时也为了让这些人造叶绿体能按照人类的需求和成有机物，Erb 教授又在人工叶绿体的基础上进行了两项创新。
一是合成生物学与纳米微流控技术结合，将从菠菜中提取的叶绿体膜和 2016 年研发的 Cetch 循环耦合，合成了细胞大小的液滴，这些液滴可以作为叶绿体吸收太阳能并固定 CO2。二是自主研发了人工叶绿体组装平台，不仅可以实现自动化生产人工叶绿体，还能根据人们的需求通过添加不同的酶从而制备不同功能的人工叶绿体。通过光便可以控制这些人工叶绿体合成不同的物质。
2.2 Nature：机器学习筛选高效CO2电催化剂
通过电催化将二氧化碳转换成化工原料被认为是颇具前景的解决方案之一。在寻求更有价值的多碳产品时，铜是主要电催化剂；而在以乙烯为目标时，工艺的改进尤为显著。然而，到目前为止，所取得的能源效率和生产率（电流密度）仍然低于以具有成本竞争力的价格生产乙烯所需的数值。然而，迄今为止实现的能源效率和生产率（当前密度）仍低于以具有成本竞争力的价格生产乙烯所需的价值。
多伦多大学的Edward H. Sargent等在国际顶级期刊Nature上利用理论计算和机器学习优化催化剂的性能。利用“物理气相沉积+去合金化”的新方法，发展了一种高法拉第效率的铜-铝电催化剂，其可将CO2选择性电还原成C2H4。与纯铜相比，这一铜-铝电催化剂的法拉第效率在电流密度为400mA/cm2 时超过了80%，是迄今为止取得的法拉第效率最高值。该研究认为，这些发现体现了计算和机器学习在引导实验探索多金属系统电催化剂方面的价值。
Edward H. Sargent是加拿大多伦多大学副校长、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，是多伦多大学电子与计算机工程系教授。他是加拿大纳米技术领域的首席科学家，是胶体量子点光探测领域的开拓者，也是量子点PN结太阳能电池的发明者和光电转换效率的世界纪录的保持者，并通过所领导团队的努力，每年都在刷新纪录。迄今为止，已在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇团队已经发表超过300篇论文，论文被引用超过20000次，H因子72。
3.1 Nat. Comm.: 铜和锌在催化二氧化碳加氢制甲醇过程中的独特相互作用
尽管在将二氧化碳化学转化为甲醇的化学增值领域中进行了大量工作，但Cu/ZnO催化剂的高活性的本质，包括反应机理和催化剂活性位点的结构，仍然是人们争论的焦点。
基于此，瑞士苏黎世联邦理工学院的Jeroen A. van Bokhoven教授等人就Cu和Zn在CO2还原制甲醇中的相互作用做了相关研究。该文章基于稳态同位素瞬态动力学分析等结果，介绍了反应中间体，它们的形成途径以及伴随不同处理导致活性催化剂形成的铜锌催化剂结构的转变。这项研究大大加深了研究者对铜锌催化剂上二氧化碳加氢反应机理的理解，并确定了铜和锌在铜/锌体系中独特的相互作用，为进一步合理设计这一重要的工业相关反应的新型催化剂提供了指导。
3.2 Nat. Catal.: 钴/铈基催化剂中尺寸依赖性金属载体相互作用促进CO2加氢反应
金属-载体相互作用对多相催化剂的性能有很大影响。金属-支撑界面上的特定位置会导致异常高的反应活性，因此，不仅优化金属颗粒的性能，而且优化金属-支撑界面的性能越来越受到人们的关注。在这里，荷兰埃因霍芬理工大学的Emiel J. M. Hensen教授等人演示了如何通过改变载体（铈-氧化锆）的粒径来调节金属-载体的相互作用，从而显著提高二氧化碳的加氢速率。
3.3 Nature Energy: 抑制脱氧实现CO2电还原制乙醇
将CO2电还原（CO2RR）为有价值的化学物质为可再生电力的存储提供了一条有希望的途径。尽管已生产出从C1到C3的各种产品，但只有一氧化碳（CO）、甲酸和乙烯能够在商业相关的电流密度下（超过100 mA cm−2）实现很高的法拉第效率（FE）。乙醇具有很高的能量密度，是一种高辛烷值的燃料，但通过CO2RR生产乙醇的法拉第效率有待进一步提高，特别是在高电流密度下。
基于以上现状，多伦多大学的Edward H. Sargent教授开发了一种用氮掺杂碳包覆Cu催化剂的反应限容电催化剂。密度泛函理论（DFT）计算表明，在Cu表面涂覆氮掺杂碳（N-C）层可促进C-C耦合，并抑制HOCCH*中C-O键的断裂，从而提高CO2RR中乙醇的选择性。通过约束N-C层的强电子给体能力，在34％的N-C/Cu催化剂进行CO2RR，乙醇的FE值为（52±1）％，部分乙醇电流密度为（156±3）mA cm-2。乙醇的阴极EE和全电池EE值也很高，分别为31%和16%。这些发现为通过催化剂设计提高CO2RR中高能量密度乙醇的选择性提供了一条途径。
值得一提的是，Edward H. Sargent教授团队在该实验中使用的阴离子交换膜是Fumasep FAB-PK-130和Sustainion阴离子膜，分别来自于美国FuelCellStore和美国Dioxide Materials公司。科学材料站为这两家公司中国唯一合作机构（官方授权）。
同时提高电化学CO2转化的能量效率和材料稳定性仍然是一个有待解决的挑战。因为CO2电化学转化的能量效率通常受限于期望产物的低选择性、大的过电位（>0.8 V）和窄的电位窗口；其次金属氧化物在二氧化碳还原电势条件下容易被还原，使催化剂的稳定性极难保证。因此设计同时具备 “三高一低“（高活性，高选择性，高稳定性，低过电势）的催化剂依然是限制CO2电化学转化发展的瓶颈。
这里新南威尔士大学的Rose Amal教授报道了Cu@CuxO三维垂直石墨烯表面修饰的sp3型缺陷纳米颗粒用于增强电化学CO2还原（ref. 4.1)。英国伦敦大学的Junwang Tang、哥伦比亚大学的Robert Godin、香港大学的Zhengxiao Guo等报道了一种独特的空穴接受碳点通过纯水促进CO2选择性地近100％还原为甲醇。(ref. 4.2）
值得注意的是，滑铁卢大学陈忠伟教授等设计了一种3DOM结构三元Sn-Ti-O催化剂（ref. 4.3），调控了Sn-Ti-O之间的电子结构。能够实现同时提高CO2电催化转换的能量效率和稳定性，为催化剂以后的设计提供了一个新思路。
该文第一作者（文国斌，任博华）指出”尽管越来越多的研究表明SnOx中的氧原子在中间产物的吸附中起着重要作用，但是材料中的氧原子有特别不稳定，尤其是在进行过电势较大的CO2电催化还原中。所以我们设想通过Ti元素的引入，对氧原子进行固定，增加催化剂稳定性。其次，研究表明大孔结构可以对CO2电催化转化的局部环境进行调节，结合课题组擅长的3DOM材料合成优势，我们设计了该材料。“
陈忠伟教授同时指出：“利用清洁可再生的电能驱动CO2还原反应是当今减少CO2排放并实现碳资源循环利用最有前景的方法，该研究为高性能CO2电还原催化剂的开发和表面设计提供了新观点和新方法。这篇文章也是我们团队构建的一体化碳循环经济链课题中的重要一步，我们正在深入研究这个方向，希望将来能做出更多更好的工作。”
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与此同时，中科院福建物构所朱起龙研究员，日本产业技术综合研究所徐强教授报道了一种二维层状材料（金属铋）（ref 4.4），作者们首次巧妙地选择了二维Bi-MOLs材料为前驱体，成功简便地获得了具有寡层厚度的超薄Bi-ene材料。合成的Bi-ene催化剂可以在较宽的电势窗口内，产生高的电流密度以及优异的稳定性，对甲酸盐产物的法拉第效率可达到~100%。通过原位ATR-IR以及DFT结果，作者首次揭示了HCO3-参与甲酸盐生成的新反应机理。
徐强教授指出：” 在电催化CO2还原反应中，如何设计具有高电流密度，高产物选择性的电催化剂以及探索整个电催化CO2还原反应的反应机理十分关键。金属铋作为一种二维层状材料，具有良好的电催化CO2还原产甲酸的能力。但其本身导电性差，活性位点暴露少等不足严重限制了其电催化性能。因此，如何设计并合成具有超薄结构的寡层乃至单层的铋烯材料是我们研究的重点。此外，经过前期调研以及总结实验过程，我们发现HCO3-在反应中扮演着一定的角色。因此，通过原位表征以及理论计算手段，合理设计实验方案来探究HCO3-所起的作用可进一步深入了解整个反应过程，也为后续设计更优的催化剂以及反应体系提供有效的思路与策略。“
该文（ref.4.4）中二维层状半金属材料Bi的合成是一个难点和亮点。
文章一作曹昌盛博士指出：”金属Bi已经被验证具有良好的电催化CO2还原产甲酸的能力。但目前报道的绝大多数Bi基电催化剂因其颗粒度或厚度偏大导致导电性差、活性位点暴露不足，严重限制了其电催化性能。因此，为进一步提高金属原子的利用率和本征活性，设计合成具有超薄二维结构的Bi-ene材料将有望显著提升其CO2RR性能。通过前期调研我们发现已有些许例子通过超声剥离或者Bi基化合物为前驱体，合成Bi纳米片，但鲜有厚度薄至寡层乃至单层的Bi-ene例子。结合MOLs材料具有更多可调的化学结构和二维形貌等特点，我们将目光转向以Bi基MOLs为前驱体，通过原位还原转化获得具有超薄结构的Bi-ene材料。经过合理选择配体以及原位电化学转化条件，我们最终成功获得了厚度仅为1.28-1.45 nm的超薄Bi-ene纳米片。因此，我们认为该设计思路为开发高效的二维金属和金属烯电催化剂开辟了一条新的途径。“
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与传统的光催化作用（仅限于使用更高能量的光子）不同，光热催化作用理论上可以利用太阳光谱的整个波长范围来促进表面化学反应。但目前还没有任何材料可以达到光热催化性能的峰值。具有化学计量的In2O3的纳米结构被证明是气相CO2加氢的有效催化剂。但In2O3主要在紫外光波长范围内吸收光，具有有限的光吸收强度，因此其作为光热CO2加氢催化剂的能力很低。
近日，香港中文大学（深圳）的王璐教授、多伦多大学的Geoffrey A. Ozin教授、天津大学的胡智鑫教授等人制备了一种黑色In2O3材料，利用光热催化使CO2加氢的催化剂（ref. 5.1）。
王璐教授表示：”氧化铟是一种非常非常特殊的催化材料，是目前唯一一种同时具备显著的光化学催化和热催化气相CO2加氢的材料。目前该领域普遍认为光热催化是一种更优于光化学催化的催化模式，对太阳能的利用效率更高，催化性能也更高。由于氧化铟的本征颜色为浅黄色，导致其对光能的利用率低且不适用于目前的光热催化模式。因此，该工作尝试将浅黄色的氧化铟以氢气高温处理的方式转化为黑色氧化铟，在保证其具备光催化活性的同时也使其可以通过光热催化的模式进行CO2加氢，有潜力将光热催化与光化学催化结合到一起，进一步提高其催化性能。“
同时，作为本文的一作兼通讯作者，科学材料站对于实验细节方面采访了王璐教授。希望能给广大读者带来一些启发。
王璐教授指出：”制备材料时需仔细控制氢气处理的温度，避免生成金属铟颗粒（材料合成）；材料表征方面，原位环境电镜拍摄无定型化及可能产生的晶格扩张都很有挑战，需要大量的尝试；原位高能同步辐射需特殊反应器，且检测到的晶格系数误差大，不能作为有效数据来辅助证明晶格扩张。理论计算：氧原子缺陷位的结构具有一定随机性，给计算模型的建立带来困难；准确计算过渡金属氧化物的能带结构难度较大，不利于理论预测材料光吸收性能的变化。“
对于光热催化CO2还原的前景，王璐教授指出：”光热催化是一种新型催化模式目前处于其研究的早起阶段，有较多问题亟需解决。在目前阶段，相对于传统光化学催化，光热催化的性能更高，对太阳光的利用率更高。然而目前光热CO2加氢领域的催化材料大多为热催化材料，主要依赖材料本身的光热效应提供的热能来驱动催化反应，开发更多同时具备光催化活性和热催化活性的催化材料，可以在提供更多催化材料选择的同时进一步提高催化材料对太阳光的利用率和催化性能。“
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与此同时，清华大学王训教授等人合成了结晶度较低的超薄CoO纳米线（ref. 5.2），通过加入多金属氧酸盐（POM）进一步降低其结晶度，研究了Mo8团簇作为第二组分的结构调控。该POM掺杂的超细CoO纳米线显示出对CO2还原更优的选择性。王训教授指出：”能源相关的小分子活化转化是催化领域的重中之重，而设计精确结构的催化剂实现对于目标小分子的精准催化则是该领域的难点。我们采用多酸团簇与无机物团簇复合，共同作为结构基元实现进一步的组装/转化，从而合成出结构可控的亚纳米尺度材料，其表现出许多优异特性，这为小分子活化转化提供了重要的材料基础。“
王训教授课题组在之前报道了一系列的多酸团簇复合的纳米材料，在化学催化、光热转换、电催化等领域得到了广泛的应用，同时，多酸显示出优异的形貌调控效果。
本文一作杨皓周博士基于这个策略，通过将多酸引入光催化剂的设计之中，实现①多酸团簇调控材料形貌，暴露催化活性位点；②多酸复合调控结构，实现催化性能的最大化，从而将形貌与组成相结合，实现最终催化剂的精准设计。杨皓周博士进一步指出：”该工作从材料设计合成入手，基于本课题组首次报道的团簇-晶核共组装方法制备出直径仅为2nm左右的多酸-氧化钴纳米线，并通过与相似尺寸的氧化钴超细纳米线和大尺寸的氧化钴/多酸-氧化钴纳米线团进行对比，研究了他们的光催化性能，并通过多种谱学表征深入研究了尺寸效应以及多酸复合效应两方面因素对于催化活性的作用。“
对于CO2电催化还原今后研究重点，王训教授表示利用外场耦合实现小分子的活化，如采用光电复合催化等，既可以结合电催化的高效率，同时光场对于吸光基团的扰动将促进电子在催化过程中的传输，从而共同促进催化性能的提升。此外，对于二氧化碳还原产物的进一步优化，尤其是多碳产物的合成将是未来研究的重点。
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香港科技大学罗正汤教授：单原子催化剂（SAC）可以实现原子100%的利用，同时也适合做模型机理探究。然而，活性部位的原子结构鉴定仍然是探索单原子催化机理并进一步扩大电化学应用的瓶颈；另一方面，传统的量子力学计算不能精确地描述反应条件来模拟非均相电化学反应。量子力学巨正则势动力学GCP-K方法可以帮助预测反应机理和动力学，以描述基于不同电压下的非均相电化学反应。
基于现状，罗正汤教授团队希望通过模拟计算能够深入理解不同的非均相电化学反应系统中的动力学过程机理，避免了重复而繁重的身体力行，为科研工作节省了时间和精力。将理论研究和实验结果结合导向，从而高效地取得突破。
在此，香港科技大学罗正汤教授和加州理工学院William A. Goddard III教授等人合作用最近发展的量子力学巨正则势动力学（GCP-K）公式来和研究和预测CO2RR的反应机理以及动力学。该工作发表在国际知名期刊Nature Communication（ref. 6.1）。
在这篇文章中，罗正汤教授表示他们应用最近开发的量子力学巨正则势动力学方法（GCP-K）来确定在石墨烯负载的镍单原子催化剂（Ni-SACs）中可能存在的不同Ni活性位点上CO2还原的反应动力学。 GCP-K公式产生于使用勒让德（Legendre）变换，将系统的净电荷与施加的电压相关联，从而使自由能最小化。此方法将伴随质子的电荷转移或氢转移描述为一个连续过程，而不是像传统巴特勒-沃尔默动力学中描述的质子耦合电子转移（PCET）情况下的离散电子跃迁。
我们（罗正汤教授团队）发现每个位置都有其独特的反应动力学，其中Ni-N2C2最为突出，在-0.84 V达到10 mA cm-2的电流密度，且法拉第效率为98％。在较高的过电势下，Ni-N2C2和Ni-C1N3 CO结合在动力学上受到阻碍，因此Ni-N4占主导地位。Ni-SAC整体动力学表现出与实验相当的性能，并预估实验中可能会具有不同比例的所有三个位点。另外，我们预测了XPS结合能移动和CO振动频率，以帮助实验确定Ni-SAC中存在的确切活性位点。
此外，大连理工大学的全燮教授、哥伦比亚大学的陈经广教授等人利用Cu单原子催化剂将CO2还原为C2+产物，该文发表在国际知名期刊Nature Communication上（ref. 6.2）。
在温和的合成条件下，开发一种方便有效的制备单原子催化剂的方法仍然是一项具有挑战性的任务。近日，中科大吴宇恩教授，深圳大学余振强研究员，华东理工大学段学志等在国际知名期刊ACS NANO上报道了一种利用电过滤法在室温下合成单原子铁，将二氧化碳还原为可调的合成气的方法（ref. 6.3）。
吴宇恩教授指出原子级别分散的单原子催化剂是催化剂设计的终极目标，实现了金属的最大利用率、催化过程选择性的调控。如何在温和条件下，利用廉价的原料，快速有效制备单原子催化剂目前仍具有很大的挑战。在此，我们巧妙地利用电沉积技术，利用氧化石墨烯膜实现了原子级过滤，有效降低了电极周围金属离子地浓度，避免了金属颗粒地沉积，实现了单原子催化剂地室温、快速、有效制备。并将其用于光催化二氧化碳还原，得到比例可调地合成气。这为单原子催化剂地制备及应用提供了新思路。
在制备材料和材料表征等方面，文章一作王志远，杨佳（共一），曹峻博（共一）表示
（1）在材料的合成过程中，电化学沉积过程一般十分迅速并难以控制，很容易生成金属颗粒。有效的减缓沉积过程，在温和条件下制备单原子材料具有很大的挑战。
（2）其次是氧化石墨烯膜的制备。制备厚度均一、层间距合适的GOM是实现可控电化学沉积制备单原子催化剂的关键，保证材料制备的可重复性。
（3）光催化还原CO2的机理研究及理论模型的建立也是该文的重点和难点之一。
基于以上，作者表示这篇文章与其它文章最大的创新点在于
（1）材料制备方法的不同，在温和条件下快速制备了单原子催化剂，避免了高温和酸洗的过程。
（2）不同于以往常用的均相小分子催化剂，单原子催化剂既保留了均相催化剂高活性的优点，同时易于分离和重复使用，并具有很好的稳定性。
（3）将CO2水溶液还原成比例可调的CO/H2合成气。
最后，吴宇恩教授表示目前单原子催化剂仍是催化领域地热门研究方向。综合来看，其大规模、低成本制备是工业化过程中亟待解决地问题。同时将其应用于复杂工业催化过程、实际服役器件中的探索也是将来重要的研究方向。
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将二氧化碳转化为高附加值化学品具有重要意义。然而，探索一种高效的电催化剂，将活性（低过电位、高电流密度和高转换频率）与选择性、耐久性和可用性结合起来，仍然是一个巨大的挑战。近日，新加坡国立大学江东林教授等在国际知名期刊Angewandte Chemie上开发了一个稳定的导电共价有机框架（COF），用于电催化二氧化碳在水溶液中还原为一氧化碳（ref. 7.1）。钴（II）酞菁催化剂通过牢固的吩嗪键拓扑连接到二维四方结构中，在沸水、酸或碱条件下稳定。二维晶格使π沿x和y方向完全共轭，并使π沿z轴在π列上传导。利用这些结构特征，电催化框架显示出96%的法拉第效率、高达320,000的超常周转次数和11412 h-1的长期周转频率，是分子催化剂的32倍。
碳捕获对于减少二氧化碳排放至关重要。与传统的化学洗涤相比，利用氧化还原活性吸附剂（如醌）的电化学介导碳捕获有望成为一种通用和经济的途径。然而，由于需要有毒、易燃的有机电解质或昂贵的离子液体，这类系统的实用性受到阻碍。基于此，美国麻省理工学院的T. Alan Hatton等人在国际知名期刊Nature Communiation上报道开发了一种完全兼容醌介导的电化学碳捕获的水电解质配方（ref. 7.2)。高盐浓度的水电解质，又称“盐中之水”电解质，是指溶解的盐的质量和体积均大于水的电解质。在这些溶液中，水分子的数量不足以完全溶解阳离子，因此不存在游离态水，这可以有效地抑制水分子的活性以扩展电化学稳定性窗口。实验和理论计算表明，高盐浓度的水电解质可增强醌的碳捕获动力学和容量。在使用该高盐浓度的水电解质系统时，还可以观察到其他技术优势，包括在连续气体喷注条件下的高保存性，以及与有机电解液相比，固定化电极醌分子的溶解减少。这些多重优势使得醌-固相萃取技术在水介质中具有优异的容量、动力学、可逆性和稳定性，使电化学碳分离进一步向实际应用迈进。
此前，Hatton教授在接受MIT News采访时候表示：“在我的实验室中，我们一直在努力开发新技术，以解决一系列环境问题。并且新技术避免需要热能、系统压力变化或者添加化学药品的需求，来完善充电和释放周期。这种二氧化碳捕集技术清楚地展示了电化学方法的强大功能，这些方法只需要很小的电压波动即可驱动分离。”
他们的研究团队已经成立了一家名为Verdox的公司，以将系统商业化，并希望在未来几年内开发出中试规模的工厂。该系统非常易于扩展。Hatton教授说：“如果需要更大的容量，只需要制造更多的电极即可。”
在这里，美国国家可再生能源实验室K. C. Neyerlin等在国际知名期刊ACS Energy LETTERS上演示了一个稳定的、可扩展的用于CO2电还原(CO2R)的电池结构。在25cm2的气体扩散电极(GDE)上使用碳负载的SnO2电催化剂，在500 mA/cm2时CO2R转化为甲酸盐的法拉第效率高达90%。在两极膜和阴极GDE之间使用了1.27 mm厚的阴极电解液，该电解液层经改善后可以进一步降低到几十微米。每个单独的组件/过程的电位降的反褶积引导了在这个平台上实现更高的CO2R能源效率的途径。纳米CT显示，在11个小时的试验前后，电极上的团聚体大小和纵横比发生了显著变化，表明电极降解降低了CO2的可达性。该CO2R测试平台的多功能性使其能够在更符合未来设备的尺度上评估材料、组件和交互作用。
20年前，人们通过研究电池来解决日益严峻的能源危机，涌现了大量的Science和Nature之类的顶级期刊。
现在，人们正在研究二氧化碳。为什么？因为随着电池、超级电容器、燃料电池、风能、太阳能等储能系统的迅速发展，能源问题可以得到缓解甚至解决。
然而，日益严重的环境危机却越来越明显，温室效应、气候异常、南极洲积雪融化等，这驱使着我们去追寻一个低碳的未来。
关注到近期越来越多高水平CO2科研成果的出现，我们确信未来（20年及以后）属于环境技术！！！
我们对这一领域非常感兴趣，并且与美国FuelCellStore和美国Dioxide Materials公司建立官方合作机制，我们将致力于推进二氧化碳技术的发展，希望能为国内相关领域发展做出一些贡献，共同营造一个”低碳，环保“的绿色未来。
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