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Italiano 背景：
近年来，全球二氧化碳排放量逐年增加，对人类生存的生态环境构成严重威胁。 （2018 年为 410 ppm——数据来自美国国家海洋和大气管理局夏威夷群岛莫纳罗亚火山的温室气体监测站）。因此，CO2的捕获、储存和转化受到了研究人员的广泛关注。丰田中央研究院以水和二氧化碳为原料，利用阳光合成有用物质，能量转换效率提升至全球最高的4.6%。德国巴斯夫将二氧化碳转化为碳酸盐聚合物材料，应用范围广泛。拜耳可以利用火电厂烟气中的二氧化碳作为生产聚氨酯材料的主要原料。碳酸盐生产有稳定的催化剂市场，但CO2的利用还远远不够。碳氢燃料的转化仍处于应用的基础研究阶段。中国“十三五”规划和中美气候变化联合声明将“减碳”作为建设目标，鼓励以二氧化碳为基础的燃料转化。并将其纳入“十三五”国家基础研究专项规划（国科发冀[2017]162号）。利用太阳能将低成本、丰富的CO2和水转化为储存方便、技术成熟、应用领域广泛、需求量巨大的碳氢燃料，是一种绿色的太阳能化学转化技术。
重构体系建设：
在此背景下，虽然国内外在CO2还原领域已经开展了大量的研究工作，但很多工作已经从材料设计的角度实现了CO2的转化，例如用于催化制氢的半导体催化剂或有机物的降解。调节催化反应或产物的选择性（Adv. Mater. 2018, 30, 1704663）。然而，催化反应的实现和过程控制还不够成熟。大多数研究人员使用的反应系统是非标准的“半定制”设备和分析系统。因此，笔者认为材料设计很重要，合适的反应体系和评价方法更为重要。反应体系是指CO2还原反应所需的环境条件，如光、电、溶液、温度、压力等；检测方法是指产品的状态（如气体或液体、选择性、浓度），以及碳转化效率、光子效率等。
在几种可行的催化 CO2 还原策略中，例如光催化、光电催化、光热催化和热催化，各有其优点。光化学还原二氧化碳并将其转化为对人类有益的碳氢化合物燃料的技术特别有吸引力。因为它可以在常温常压下进行，所以在特定的温度和压力下也可以产生协同效应。所需能源可直接或间接由太阳能等可再生能源提供，碳可循环利用。
图 1 间歇式和流动式催化反应器 (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 – 436)
有两种构建反应器的方法（如图 2 所示）。一种是定容反应器，将CO2、H2或H2O等反应原料、催化剂或助催化剂置于反应器中，通过向催化剂中注入光、电、热等进行反应.二是流动法，是将原料气以一定的速率引入反应器，经过一定的反应时间后，流出反应器的工艺过程。研究发现，反应釜材料一般分为聚四氟乙烯、石英玻璃、不锈钢。聚四氟乙烯具有强度高、耐腐蚀、密封性好等优点，但温度极限较低，一般为250度。石英反应器具有耐温、耐腐蚀等优点，但较脆，抗压强度低。金属不锈钢反应器具有耐压、易加工的优点，但易与反应物发生反应。您可以根据需要选择合适的反应器。同时，为了及时引入或取出气体或产品，在反应器设计上应开几个孔，以方便原料的注入。
此外，较常见的反应形式是固液反应：在反应器中，以饱和CO2气体溶液为原料，或在电催化还原反应器中注入电解质（图2）。二氧化碳电还原的内在反应机理涉及固-液相三相边界的复杂路径。因此，催化剂几何结构的合理设计允许尽可能多的反应位点以促进界面处的质子和电子转移。
图2 固气固液反应示意图（Chem. Commun., 2016, 52, 35-59）
图3 光电催化CO2还原反应器示意图（J. Photon. Energy. 2017, 7(1), 012005）
物料搬运：
反应器中催化剂的处理因材料的形态而异。例如，粉末材料可以铺在石英玻璃的表面；薄膜材料可通过折叠、冲孔等方式放入反应器；块状材料（多孔陶瓷）通过气流通过，增加气体与催化剂的接触率，实现CO2还原。
光源选择：催化反应源的选择也很重要。有效光功率密度问题值得研究人员关注。因此，购买的光源，如氙气灯，一般出厂功率在几个太阳光强以上（一个太阳相当于1kW/m2）。因此，可以通过加热过滤器对其进行调节。在设计反应之前，应使用光功率计测试实际值。使用的光源强度。
产品评估：催化产品的评估是整个系统的最后也是最重要的部分。采取的产品一般分为离线（俗称“针式”）和在线检测（在线）。根据催化产物的性质，检测设备一般有气相色谱法、质谱法和液相色谱法。叶金华教授、Ozin教授、邹志刚教授、杨培东教授、李灿教授、谢毅教授、吴丽珠教授、王新臣教授等被广泛使用。
本文重点介绍气相色谱法，这是最近研究中最常用的设备。核心组件通常包括检测器、色谱柱、甲烷重整器、六通阀和回路。检测器一般采用两种（氢火焰检测器）FID和（热池检测器）TCD。 FID可以高灵敏度检测含碳有机物，而TCD可以检测所有化合物，包括氢气、一氧化碳、二氧化碳等，但灵敏度角（~1000 ppm）。因此，大多数研究人员选择安装FID检测器，反应过程中残留的CO2或CO可以通过带有镍催化剂的转化炉进行检测。更重要的是，产品汽化后，载气流中使用的色谱柱也不同，影响检测灵敏度。例如FID检测器一般使用毛细管柱，TCD检测器使用TDX01柱。如下图色谱图设计所示，国内外多家厂商均可提供定制产品，如安捷伦、天美、亚诺、富力等。当然，由于CO2还原的产物非常复杂，既有H2、CO等小分子，也有C1、CH3OH、甲酸、乙醇等有机分子，如C1、C2等。单柱检测器一次不能完全检测，需要TCD和TCD。 FID 组合在一起，不同类型的列一起使用。
碳污染：
在二氧化碳减排研究中需要特别关注的一个关键问题是碳污染。研究表明，用于催化剂制备的有机溶剂，包括溶剂、反应物和表面活性剂，可能会在最终产品中留下碳质残留物，并在催化反应过程中分解成 CO 和 CH4 等小分子，从而产生催化活性。高估了。因此，有必要确认被测产物确实来自CO2的分解，而不是含碳残渣的分解。同位素 13CO2 标记是一种验证还原产物来源的有效技术，已在许多研究中得到广泛应用。
结论：
将二氧化碳催化还原为碳氢化合物已成为缓解能源和环境问题的绿色手段。小编在多年研究的基础上，整理了催化反应体系和产品评价的重要知识，希望能帮助同领域的研究人员为高效催化剂的设计提供一个很好的平台。
