在應對全球氣候變化的征程中，光催化CO2還原技術以“人工光合作用”之名，成為將溫室氣體轉化為能源的突破性方案。這項技術通過模擬植物光合作用，利用太陽能驅動半導體催化劑，將CO2與水轉化為甲烷、甲醇等燃料，為碳中和目標提供了“零排”的循環路徑。
一、技術核心：光子驅動的分子級轉化
光催化CO2還原的機制猶如一場精密的“光-電-化”接力賽。當半導體材料（如TiO2、CO2dS或金屬有機框架MOFs）吸收能量大于其禁帶寬度的光子時，價帶電子躍遷至導帶，形成高活性電子-空穴對。這些載流子遷移至催化劑表面后，電子將CO2還原為CO2、甲酸等中間體，而空穴則氧化水生成氧氣。例如，西安交通大學團隊研發的節點金屬有機籠，通過可見光激發實現CO2向CO2的高效轉化，選擇性達90%以上，轉換頻率超3500 µmol·g?¹·h?¹，性能遠超傳統催化劑。
二、創新突破：從材料設計到反應路徑
催化劑的優化是提升效率的關鍵。華中科技大學王靖宇教授團隊開發的銦-有機框架異質結材料（M68N@In-TCPP），通過核殼結構實現氧化還原雙活性位點的協同作用：外層In-TCPP增強CO?吸附與可見光吸收，內核M68N高效催化水氧化，太陽光驅動下CO?還原產率達397.5 µmol·g?¹·h?¹，同時生成H?O?。此外，原位紅外光譜技術揭示了反應路徑——CO?先被吸附為*CO??中間體，再逐步轉化為甲酸鹽（HCOO?），最終生成甲醇或甲烷。
三、應用前景：從實驗室到工業場景
光催化CO2還原技術已展現出多場景應用潛力。在分布式能源領域，模塊化太陽能板式反應裝置可靈活部署于工業園區，利用余熱提升反應溫度，將CO2轉化為燃料；在化工生產中，該技術可替代傳統熱催化工藝，減少碳排放。例如，重慶大學團隊研發的光熱協同催化系統，通過仿生矩陣結構強化光吸收與傳質效率，甲烷產率達80 L/天，選擇性超90%。
四、挑戰與未來：邁向產業化之路
盡管光催化CO2還原技術潛力巨大，但商業化仍面臨太陽能轉換效率低（目前最高僅1‰量級）、催化劑穩定性不足等挑戰。未來研究將聚焦于新型光催化材料（如二維材料、單原子催化劑）的開發，以及光-熱-電多場耦合系統的構建。隨著技術的成熟，光催化CO2還原有望成為連接可再生能源與碳循環的橋梁，為人類社會開辟一條“變廢為寶”的可持續發展之路。
