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闫俊青/刘生忠AEM综述：光电催化二氧化碳还原制备太阳燃料：基本原理和最新进展

邃瞳科学云

2022-07-04

导读：该综述首先介绍光电CO2还原制备不同产物的基本原理以及光电解池表征基本参数，随后以CO2还原主要产物为区分系统介绍光电CO2还原制备不同产物研究工作的最新进展。

第一作者：李登博士

通讯作者：闫俊青副教授，刘生忠教授

通讯单位：陕西师范大学

论文DOI：10.1002/aenm.202201070

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近日，来自陕西师范大学的闫俊青副教授和刘生忠教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Powering the World with Solar Fuels from Photoelectrochemical CO₂ Reduction: Basic Principles and Recent Advances”的综述文章。该综述首先介绍光电CO₂还原制备不同产物的基本原理以及光电解池表征基本参数，随后以CO₂还原主要产物为区分系统介绍光电CO₂还原制备不同产物研究工作的最新进展。

背景介绍

光电催化还原二氧化碳制备太阳燃料，可以同步实现减碳和太阳能转化存储为碳氢化合物，为绿色能源革命提供一种有前景的路径。光电催化还原二氧化碳产物众多，随消耗电子数目增加，产物包括CO、HCOOH、CH₃OH、CH₄等C₁化合物和CH₃COOH、C₂H₄、C₂H₅OH等C₂化合物。光电还原CO₂制备不同产物的选择性以及反应活性受反应条件，如助催化剂、吸光半导体以及溶液pH、反应电位等影响。因此，理性设计和组装二氧化碳还原光电极，对构造高效光电二氧化碳还原光电解池意义重大。

图1. 光电催化还原CO₂制备太阳燃料。

本文亮点

要点一：作者首先简要介绍了CO₂还原制备不同产物的热力学和动力学基本原理。同时对CO₂还原光电解池所使用吸光半导体基底、助催化剂以及基本表征参数进行总结。

要点二：根据主要还原产物的类别分别介绍光电CO₂还原制备CO/合成气、HCOOH、CH₃OH、CH₄和C₂产物（CH₃COOH、C₂H₄、C₂H₅OH）的最新研究进展，着重比较了不同光电极的材料设计原理。随后，选取几个代表性光电解池构型，对无偏压光电CO₂还原系统进行介绍。

要点三：最后，作者系统总结了二氧化碳还原光电极制备不同产物的最新法拉第效率及对应光电流，和无偏压光电解池的太阳能转化效率（图2）。随后，概述了当前研究领域存在的问题和挑战，以激发光电二氧化碳研究的发展。

图２光电催化二氧化碳还原制备不同产物以及无偏压光电二氧化碳还原最新进展总结

作者介绍

李登博士，2019年博士毕业于大连化学物理研究所，师从李灿院士。2020年加入陕西师范大学刘生忠教授团队，主要从事光/电催化水分解及二氧化碳还原。主持博士后科学基金和自然科学基金青年项目各一项，以第一或通讯作者在ACS Energy Letters, Chemical Engineering Journal, Small，Advanced Energy Materials等期刊发表论文８篇。

闫俊青副教授, 陕西师范大学副教授、博士生导师。2015年毕业于南开大学获得材料物理与化学专业博士学位，随后以引进的方式加入陕西师范大学开展教学科学研究。主要从事分解水高效材料的开发与表界面调控的研究。以第一或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.、Chem. Sci.、Appl. Catal. B、J. Mater. Chem. A、Small、J. Energy Chem.等学术期刊发表论文37篇，他引2800余次；先后主持国家自然科学基金青年和面上项目各一项；2018年获天津市自然科学一等奖（4/9）；2022年获得陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖（1/5）。受邀在国内光催化相关学术会议做邀请报告10余次，同时兼任《Chinese Chemical Letters》青年编委和《Chemistry -A European Journal》专刊客座编辑，2020年被评为《J. Energy Chem.》杂志优秀审稿人。授权国家发明专利2项。

刘生忠教授, 高级教授，博士生导师。1992年在美国西北大学 (Northwestern University) 获博士学位。1992-2011年间，先后在美国Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）、Solarex、BP Solar、United Solar从事研究工作。2012年起回国工作，任陕西师范大学-中国科学院大连化学物理研究所特聘教授，洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长。研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料。担任J. of Energy Chemistry 期刊（Elsevier）国际顾问，Advanced Functional Materials 专刊编辑等。基础研究成果曾发表在Science、Nature、JACS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angew. Chem. Int. Ed. 等刊物上。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等。发表SCI论文200余篇，获国际和中国授权专利六十余项。