太陽能驅(qū)動(dòng)二氧化碳轉(zhuǎn)化＊

王鋒，周化嵐，張建國

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，食品科學(xué)與工程研究所，上海 200093

大氣中二氧化碳主要來源于化石燃料的燃燒、動(dòng)物的呼吸、有機(jī)物的腐爛等過程。全球人口持續(xù)增長和工業(yè)化程度的提高導(dǎo)致化石能源需求呈指數(shù)增長，進(jìn)而導(dǎo)致每年向大氣中釋放數(shù)十億噸CO2，而大氣中CO2含量的快速上升導(dǎo)致全球變暖。國際氣候變化經(jīng)濟(jì)學(xué)報(bào)告顯示，按照目前人類的生活方式，到2100年，全球平均氣溫可能會(huì)上升4℃，將會(huì)引發(fā)冰川融化、海平面上升等一系列環(huán)境問題。有研究表明，地球需要近1 000年才能消除目前已有CO2的溫室效應(yīng)[1]。因此，有效捕獲并利用CO2，減少大氣中CO2的含量已成為研究熱點(diǎn)。

減少大氣中CO2含量有以下三種方式：①減少CO2排放量；②捕獲和儲存CO2，例如地質(zhì)儲存、海洋儲存和礦物儲存；③CO2的轉(zhuǎn)化和利用。CO2的轉(zhuǎn)化和利用不僅改善溫室效應(yīng)，而且儲存能量，緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)。

CO2為非極性線性分子，碳處于最高價(jià)態(tài)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。因此，將CO2加以回收利用存在較大難度。光合作用是自然界中CO2的轉(zhuǎn)化方法，即綠色植物或光合細(xì)菌在光照條件下，將CO2轉(zhuǎn)化為氧氣和（或）生長必需的能量物質(zhì)的過程[2]。人工轉(zhuǎn)化CO2主要由熱能、電能、太陽能驅(qū)動(dòng)[3]。由于太陽能分布普遍，總量巨大，相較于風(fēng)能和氫能等有明顯優(yōu)勢，基于太陽能的CO2轉(zhuǎn)化和利用受到廣泛關(guān)注。太陽能驅(qū)動(dòng)的CO2轉(zhuǎn)化包括光催化轉(zhuǎn)化、光熱轉(zhuǎn)化、光電協(xié)同轉(zhuǎn)化和生物技術(shù)轉(zhuǎn)化。本文對近年來太陽能驅(qū)動(dòng)的CO2轉(zhuǎn)化工作進(jìn)行簡要綜述。

1 光催化轉(zhuǎn)化

光催化是以光能為驅(qū)動(dòng)力的氧化還原過程，其中電子的激發(fā)和轉(zhuǎn)移與植物的光合作用非常相似。它的基本過程如圖1所示。在催化劑上進(jìn)行的光催化反應(yīng)主要包括光子的吸收、光生電子-空穴對的分離及光生載流子向光催化劑表面的催化反應(yīng)活性位的遷移，同時(shí)CO2吸附在光催化材料的反應(yīng)位點(diǎn)上并與光生電子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而被還原為小分子碳?xì)淙剂虾鸵谎趸迹–O），光生空穴則顯示出較強(qiáng)的氧化能力，可以得到電子并釋放O2[4-5]。其反應(yīng)式和pH=7時(shí)相應(yīng)的電極電位見表1。光催化轉(zhuǎn)化CO2體系一般具備三個(gè)關(guān)鍵組分：用于吸收可見光的光敏劑、用于催化CO2還原的催化劑以及為體系提供電子的電子犧牲體。其中，光催化劑是光催化還原CO2的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了光催化過程的幾個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)，包括反應(yīng)途徑、被吸收光的類型、獲得的可能產(chǎn)物以及最終過程的有效性和產(chǎn)率。因此，光催化劑材料一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

圖1 光催化轉(zhuǎn)化CO2原理示意圖

表1 光催化轉(zhuǎn)化CO2反應(yīng)方程式及相應(yīng)電極電位表[6]

1.1 TiO2光催化體系

1.1.1 TiO2催化劑

金屬氧化物作為光催化劑轉(zhuǎn)化CO2已被廣泛研究[7-9]，其中TiO2因具有成本低、良好的電荷轉(zhuǎn)移電位、安全、耐腐蝕、穩(wěn)定性好和無毒等優(yōu)點(diǎn)而成為一種最常用的光催化劑。使用純TiO2作為催化劑進(jìn)行CO2光還原已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)項(xiàng)研究，結(jié)果表明，TiO2晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌不同，光催化轉(zhuǎn)化CO2的活性就不同。Vijayan等[10]利用水熱法合成了一維TiO2納米管作為光催化劑，這種結(jié)構(gòu)的TiO2可以縮短光生載流子的傳輸距離，減少光生電子-空穴對轉(zhuǎn)移到催化劑表面所用的時(shí)間，從而提高催化效率。Xu等[11]合成了{(lán)100}晶面暴露比為95%的TiO2納米片，并且發(fā)現(xiàn)隨著{100}晶面暴露比的增加，催化劑的活性位點(diǎn)逐漸增多，活性也隨之升高，其中CH4產(chǎn)率是{100}晶面暴露比為53%的TiO2納米片的5倍。

1.1.2 改性TiO2催化劑

雖然TiO2是一種常用的光催化劑，但其有兩點(diǎn)缺陷：一是其禁帶寬度為3.2 eV，僅能吸收太陽能4%的紫外光，對太陽能的利用率很低；二是其光生電子和空穴容易復(fù)合，降低了對光生電子的利用率。因此，研究者采用多種方法對TiO2進(jìn)行修飾改性以提高其光催化活性和對太陽光的利用率，從而提高CO2的轉(zhuǎn)化效率。這些方法包括金屬摻雜[12-15]、非金屬摻雜[16-17]和共摻雜[18-20]，以及金屬氧化物改性[21-22]、形成納米材料改性[23]、敏化修飾改性[24-25]和形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾[26-28]等。圖2展示了光催化劑的不同改性方法。

1.2 其他催化劑

除了上述材料可以作為光催化劑外，據(jù)報(bào)道，金屬氫氧化物[29-30]、金屬硫族化合物[31-34]、含氧酸鹽[35-37]、金屬絡(luò)合物[38-39]、碳基材料[40-41]、金屬有機(jī)框架[42-43]、介孔材料[44-45]、量子點(diǎn)[46-47]和酶[48]等也可以作為光催化劑。這些光催化材料大多具有較小的帶隙、匹配的價(jià)帶/導(dǎo)帶、優(yōu)異的物理結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能以及較好的表面化學(xué)勢，與TiO2相比，大多有相同甚至更好的轉(zhuǎn)化CO2的能力，但同時(shí)也存在穩(wěn)定性差、合成方法復(fù)雜、副產(chǎn)物毒性大、工業(yè)放大困難或昂貴等缺點(diǎn)[49]。例如，鍺基和鎵基材料（ZnGa2O4、Zn2GeO4等）具有較高的導(dǎo)帶電位，能夠促進(jìn)CO2光轉(zhuǎn)化，但這些材料具有寬的帶隙（分別為4.5 eV和4.65 eV），比TiO2具有更小的光吸收能力[50]。表2展示了光催化轉(zhuǎn)化CO2的部分研究成果。

2 光熱轉(zhuǎn)化

圖2 光催化劑及TiO2基光催化劑的改性

表2 光催化轉(zhuǎn)化CO2

太陽能光熱轉(zhuǎn)化CO2主要有兩種途徑：一是利用太陽能聚熱體系產(chǎn)生大量熱量來直接轉(zhuǎn)化CO2或兩步循環(huán)轉(zhuǎn)化CO2，其實(shí)質(zhì)是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化；二是在熱化學(xué)兩步循環(huán)法轉(zhuǎn)化CO2的基礎(chǔ)上，引入光化學(xué)反應(yīng)。

2.1 太陽能聚熱體系

不同于光催化轉(zhuǎn)化只利用太陽能能譜中的紫外和可見光部分，太陽能聚熱體系轉(zhuǎn)化CO2是利用整個(gè)太陽能能譜，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。太陽能聚熱體系（塔式、碟式以及雙聚焦體系）能產(chǎn)生足夠的聚焦溫度（＞1 500 ℃），滿足熱化學(xué)分解CO2的溫度要求[51]。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，大部分研究工作通過高溫爐或者大功率燈來模擬太陽能聚焦產(chǎn)生的高溫?zé)崃俊Ｌ柲芫蹮狍w系轉(zhuǎn)化CO2可以分為CO2直接熱分解和兩步熱化學(xué)循環(huán)分解[51]。常采用的是兩步式分解法：第一步是吸熱反應(yīng)，被聚集的太陽能提供大量熱量，將金屬氧化物如ZnO[52]、CeO[53]、FeO[54]234等在高溫太陽能化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)還原成金屬或者低價(jià)態(tài)氧化物；第二步則是CO2與還原態(tài)的金屬反應(yīng)生成CO。傳統(tǒng)的兩步式熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)方程式如下：

熱化學(xué)反應(yīng)（＞1 273 K），

熱化學(xué)反應(yīng)（＞573 K），

在上述的兩步反應(yīng)中，金屬氧化物（MxOy）先在高溫條件下被還原，后又在反應(yīng)（2）中被氧化，在整個(gè)反應(yīng)過程中充當(dāng)催化劑。然而，在不犧牲該技術(shù)的其他優(yōu)勢的情況下，很難降低反應(yīng)溫度（＞ 1 273 K），這是傳統(tǒng)兩步式熱化學(xué)循環(huán)面臨的主要問題[55]。

2.2 兩步光熱化學(xué)循環(huán)體系

2015年，Zhang等[56]提出用光熱化學(xué)循環(huán)來分解CO2，即通過紫外線照射氦氣中TiO2，然后將CO2輸入并在密閉腔內(nèi)加熱轉(zhuǎn)化為CO。這一方法是在傳統(tǒng)的兩步式熱化學(xué)循環(huán)基礎(chǔ)上建立的，通過將光化學(xué)反應(yīng)引入兩步式熱化學(xué)循環(huán)，將兩步式熱化學(xué)循環(huán)中第一步的高溫反應(yīng)用光反應(yīng)替代，從而大大降低循環(huán)溫度。光熱化學(xué)循環(huán)分解CO2包括以下兩步反應(yīng)：

光化學(xué)反應(yīng)（＞300 K），

熱化學(xué)反應(yīng)（＞573 K），

在大氣溫度和壓力下經(jīng)紫外光照射，反應(yīng)（3）中金屬氧化物本征表面態(tài)變成具有光致氧空位的非本征表面態(tài)，MxOy被還原為MxOy-1，旨在代替熱化學(xué)循環(huán)的第一步并避免使用高溫。反應(yīng)（4）中光致氧空位被消耗，CO2轉(zhuǎn)化為CO，而MxOy-1又被氧化為MxOy，這類似于熱化學(xué)循環(huán)中的第二步。此外，光熱化學(xué)循環(huán)不僅可以利用太陽能中高能的紫外可見波段進(jìn)行光反應(yīng)，也可以利用低能的可見紅外波段進(jìn)行熱反應(yīng)[57]。但該反應(yīng)的產(chǎn)量較低，需要更高效的催化劑。目前兩步光熱化學(xué)循環(huán)體系的催化劑研究主要集中在TiO2上。TiO2運(yùn)用在光熱化學(xué)循環(huán)中的可行性和穩(wěn)定性，以及光致氧空位在光熱化學(xué)循環(huán)中起到的關(guān)鍵作用均已被證實(shí)。然而，TiO2可見光響應(yīng)少，其氧空位形成難度較大，過渡金屬（Fe、Co、Mn、Pd……）摻雜被認(rèn)為是一種能有效提高其在光熱化學(xué)循環(huán)中性能的方法[58-61]。

3 光電協(xié)同轉(zhuǎn)化

光催化和電催化轉(zhuǎn)化CO2都有自己的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，因而研究人員進(jìn)行了一系列相關(guān)工作，將光催化和電催化相結(jié)合形成了光電協(xié)同轉(zhuǎn)化。光電協(xié)同轉(zhuǎn)化與單獨(dú)的光催化或電催化相比有幾點(diǎn)優(yōu)勢：①通過“電”的作用使光生電子 空穴產(chǎn)生定向移動(dòng)達(dá)到分離的目的；②CO2的光電協(xié)同轉(zhuǎn)化可以充分借助CO2電催化劑的作用使反應(yīng)更高效；③光電協(xié)同催化體系為CO2的電極反應(yīng)側(cè)采用電化學(xué)分析方法提供了便利，有助于從微觀上評價(jià)催化劑的活性[62]。

在光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2的過程中，電催化可以促進(jìn)光電荷的定向傳輸，一定程度上可阻止光生電子和空穴的復(fù)合，增加了反應(yīng)所需的電子數(shù)目，進(jìn)而可提高CO2的電化學(xué)還原效率；而光催化可彌補(bǔ)電還原的能耗過高，兩者之間的協(xié)同作用顯著[2]。其反應(yīng)原理如圖3所示：半導(dǎo)體在光線照射下產(chǎn)生光生電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶；躍遷至導(dǎo)帶的光生電子在外加偏壓的作用下遷移至催化劑，使催化劑處于還原狀態(tài)（Cat ）；還原狀態(tài)的催化劑將CO2還原為CO、HCOOH、HCOO-、CH3OH、CH3CH2OH、HCHO等一系列含碳小分子儲能物質(zhì)，而其自身恢復(fù)初始狀態(tài)（Cat）[62-63]。

光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2的體系包括陽極和陰極，其中至少有一個(gè)電極是半導(dǎo)體材料感光電極。依據(jù)感光體系的不同可將體系分為三類：①陽極為暗光析氧電極（如玻璃電極、碳材料、鉑電極等），光陰極為p型半導(dǎo)體；②陽極是n型半導(dǎo)體，陰極是暗光CO2還原催化劑電極；③陽極是n型半導(dǎo)體，陰極是p型半導(dǎo)體[64]。在這三種體系中，第一種最容易操作和控制，在實(shí)驗(yàn)室研究中應(yīng)用最廣泛；第三種陰極和陽極均能利用光照，且n型半導(dǎo)體自身可提供電子，對系統(tǒng)的節(jié)能有益。類似于光催化和電催化，光電陰極是光電協(xié)同催化轉(zhuǎn)化CO2的關(guān)鍵。通常，p型半導(dǎo)體及其復(fù)合材料在光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2系統(tǒng)中充當(dāng)光電陰極。采用合適的半導(dǎo)體作為光電陰極可以直接將CO2還原，這些半導(dǎo)體有p-Si、p-InP、p-GaP、p-GaAs等[65-67]；而使用半導(dǎo)體復(fù)合材料作為光電陰極可以使CO2的還原反應(yīng)變得更加容易，實(shí)現(xiàn)高效、高選擇性催化轉(zhuǎn)化CO2，如在半導(dǎo)體上負(fù)載過渡金屬或金屬配合物可以在CO2電催化轉(zhuǎn)化過程中形成配合物，降低反應(yīng)的活化能[68-69]。

圖3 光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2反應(yīng)過程示意圖

光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2主要存在三個(gè)方面的挑戰(zhàn)：光吸收差、電荷分離/傳輸效率低以及表面催化轉(zhuǎn)化慢[70]。光吸收范圍主要取決于半導(dǎo)體材料的帶隙及其表面性質(zhì)，而光吸收不足會(huì)大大損害整體能量轉(zhuǎn)換效率。目前常用的促進(jìn)光吸收的光電極改性方法有電極納米結(jié)構(gòu)化[71-73]或引入其他吸光材料[74-75]。即使光吸收良好，受光激發(fā)的載流子有時(shí)也會(huì)由于表面狀態(tài)如缺陷或雜質(zhì)而發(fā)生嚴(yán)重的重組[76]。吸收光后，光激發(fā)的電子和空穴重新分離并在相反的方向上進(jìn)行遷移，然后再進(jìn)行復(fù)合。為了在此過程中增強(qiáng)電荷動(dòng)力學(xué)，通常將重點(diǎn)放在優(yōu)化半導(dǎo)體的電子和界面特性上。常用的優(yōu)化方法有構(gòu)造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)[77-79]、構(gòu)建半導(dǎo)體-助催化劑肖特基結(jié)[80-81]以及利用電子提取層[82]。由于CO2包含兩個(gè)穩(wěn)定的C=O鍵，很難解離，還原速度較慢。引入合適的助催化劑通?？梢愿纳票砻娲呋D(zhuǎn)化的活性和選擇性。用于光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2的助催化劑可以從用于電催化轉(zhuǎn)化CO2的催化劑材料中選擇，其中大多數(shù)為無機(jī)材料，例如金屬、合金和N 摻雜多孔碳載體金屬單原子材料（M-N-C）等[64,83-85]。除無機(jī)助催化劑外，最近還出現(xiàn)了有關(guān)細(xì)菌、生物酶和仿生分子助催化劑用于光電催化CO2還原的研究，并取得了很好的進(jìn)展[86-88]。表3列舉了部分光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2的研究成果。

4 生物技術(shù)轉(zhuǎn)化

雖然利用可再生能源對CO2進(jìn)行光電協(xié)同催化轉(zhuǎn)化的研究越來越多，但CO2的生物技術(shù)轉(zhuǎn)化作為一種重要的新型轉(zhuǎn)化方式也越來越受到人們的關(guān)注。與CO2的光還原和電還原類似，CO2的生物技術(shù)轉(zhuǎn)化可以在溫和條件下發(fā)生。不同的是，光催化和電催化的效率相對較高，而CO2的生物技術(shù)轉(zhuǎn)化會(huì)產(chǎn)生更復(fù)雜、更有價(jià)值的化合物。CO2生物技術(shù)轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)是活性生物特征和物理化學(xué)催化位點(diǎn)的結(jié)合。到目前為止，CO2生物技術(shù)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)主要包括微生物電合成、光合生物混合系統(tǒng)、光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)和代謝工程[97]，其中光合生物混合系統(tǒng)和光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)均是人工光化學(xué)系統(tǒng)。

4.1 光合生物混合系統(tǒng)

光合生物混合系統(tǒng)是一種新型的光驅(qū)動(dòng)裝置，由固定在無機(jī)半導(dǎo)體光催化劑上的細(xì)菌或酶組成，將高效無機(jī)光催化劑與酶催化劑或細(xì)胞有機(jī)體結(jié)合起來[98]。無機(jī)光催化劑具有較高的光吸收能力，而酶催化劑和細(xì)胞有機(jī)體具有高選擇性、低能耗、自復(fù)制和自修復(fù)的特性。因此，光合生物混合系統(tǒng)不僅可用于CO2還原，而且還可以在溫和的條件下以經(jīng)濟(jì)高效且高度選擇性的方式獲得目標(biāo)產(chǎn)物，并大規(guī)模合成長鏈烴。

光合生物混合系統(tǒng)原理如圖4所示：首先利用半導(dǎo)體優(yōu)良的光捕獲性能獲得光生電子-空穴對，將水分解為氫和氧；然后通過生物體內(nèi)的代謝途徑將CO2轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，如有機(jī)酸和甲烷等[88,99-101]。它也可以被認(rèn)為是由太陽能驅(qū)動(dòng)的微生物電合成反應(yīng)器，或者是直接捕獲光能的改良微生物電合成電極，從而有效地發(fā)揮了人工光合作用裝置的作用，表現(xiàn)出比自然光合作用更高的太陽能效率[102]。

表3 部分光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2的研究成果

圖4 光合生物混合系統(tǒng)原理示意圖

目前，光合生物混合系統(tǒng)尚處在發(fā)展初期，還有很長的路要走，其中一個(gè)主要的挑戰(zhàn)就是克服跨生物和非生物界面的電荷轉(zhuǎn)移障礙。克服這一點(diǎn)對電極材料有較高的要求，因此未來需要開發(fā)具有良好電子活性表面、低過電位、高比表面積、良好生物相容性和高電子轉(zhuǎn)移效率的新型材料。此外，材料的成本也需要考慮。

4.2 光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)

光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)是由天然光系統(tǒng)II和人工光催化劑組成的人工光化學(xué)系統(tǒng)。光系統(tǒng)II是一種位于綠色植物、藍(lán)藻和微藻類囊體膜上的光活性復(fù)合物。光系統(tǒng)II中的Mn4Ca簇是自然界中唯一可以利用太陽能有效安全地氧化水并釋放出氧氣、“高能”電子和質(zhì)子的生物催化劑[97]。它可以用于可見光驅(qū)動(dòng)的水光解中，生成的氫可以用于光合作用并將CO2轉(zhuǎn)化為其他燃料。與光合生物混合系統(tǒng)相比，光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)的生物酶是光系統(tǒng)II。光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)具有光系統(tǒng)II的生物學(xué)特性，如優(yōu)良的光收集能力。與無機(jī)光催化劑相比，光系統(tǒng)II能有效地捕獲可見光光譜中所有波長的能量。光系統(tǒng)II中發(fā)生的反應(yīng)包括電荷分離、電子轉(zhuǎn)移、水裂解反應(yīng)和CO2還原反應(yīng)。在光系統(tǒng)II中，由光收集復(fù)合體捕獲的光能被迅速匯集到D1/D2亞基結(jié)合的葉綠素中，導(dǎo)致電荷分離和一系列電子轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致QB輔因子的產(chǎn)生；由于水的氧化作用，Mn2CaO5團(tuán)簇上會(huì)發(fā)生O2和質(zhì)子（H+）的析出；CO2與光系統(tǒng)II釋放的氫結(jié)合，然后被無機(jī)催化劑、酶和微生物還原為甲酸、甲醇和其他化學(xué)物質(zhì)[103]。目前已經(jīng)報(bào)道了一些模擬光系統(tǒng)II活性中心產(chǎn)氫的人工光化學(xué)系統(tǒng)，它們對進(jìn)一步優(yōu)化光系統(tǒng)II復(fù)合系統(tǒng)以減少CO2排放具有重要意義[104-106]，但是目前利用光系統(tǒng)II進(jìn)行CO2還原的研究較少。此外，體外純化的光系統(tǒng)II在光照下會(huì)產(chǎn)生不可逆的光損傷，使其高度不穩(wěn)定，從而限制了它的應(yīng)用。

5 結(jié)語

通過不同方式轉(zhuǎn)化CO2并生產(chǎn)綠色能源來實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)境的建設(shè)，推動(dòng)了能源收集技術(shù)的發(fā)展。太陽能作為清潔能源可以驅(qū)動(dòng)CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的碳?xì)淙剂?，促進(jìn)環(huán)境修復(fù)，同時(shí)有利于解決能源危機(jī)。本文介紹了太陽能驅(qū)動(dòng)的光催化轉(zhuǎn)化、光熱轉(zhuǎn)化、光電協(xié)同催化轉(zhuǎn)化、生物技術(shù)轉(zhuǎn)化CO2的研究現(xiàn)狀。

就光催化轉(zhuǎn)化CO2而言，其關(guān)鍵是光催化劑的研究。盡管對TiO2進(jìn)行了廣泛的研究，但其寬帶隙和較差的光吸收能力多年來一直是個(gè)無法克服的缺點(diǎn)。雖然采用了幾種改性方法，但仍未達(dá)到所需的產(chǎn)率和選擇性水平。同時(shí)，其他非TiO2基催化劑也被用于光催化轉(zhuǎn)化CO2，這些替代品由于其自身的特性而表現(xiàn)出比較好的效果，但它們的成本、穩(wěn)定性和毒性（尤其是用于制備它們的前體的毒性）仍需注意。因此，尋找高效的光催化劑依然需要未來長期的努力。良好的光催化劑應(yīng)當(dāng)具備低成本、高穩(wěn)定性、太陽能響應(yīng)強(qiáng)度高、光生電子-空穴對的分離效率高、目標(biāo)產(chǎn)物選擇性高等特點(diǎn)。

就光熱轉(zhuǎn)化而言，太陽能聚熱體系對實(shí)驗(yàn)要求較高，無法降低第一步的反應(yīng)溫度是其面對的主要問題。兩步光熱化學(xué)聚熱體系則解決了太陽能聚熱體系所面臨的問題，但其催化劑的研究仍集中在TiO2上，而開發(fā)新型高效的催化劑將是未來研究的重點(diǎn)。

將光催化和電催化結(jié)合實(shí)現(xiàn)了光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2。同光催化一樣，光電協(xié)同轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵也是催化劑。目前，光電協(xié)同轉(zhuǎn)化的催化劑的研究主要集中在半導(dǎo)體材料上，通過不同的改性方式可以大大提高催化劑的性能，同時(shí)可以從促進(jìn)光吸收、增強(qiáng)電荷分離/傳輸和促進(jìn)表面催化轉(zhuǎn)化三個(gè)方面入手促進(jìn)光電催化CO2還原。此外，CO和甲酸是光電協(xié)同轉(zhuǎn)化CO2的兩種最常見的產(chǎn)物，而選擇性生產(chǎn)高價(jià)值的多碳產(chǎn)品如乙烯、乙醇、乙酸鹽和丙醇，則更具吸引力，但極具挑戰(zhàn)性。為此，必須適當(dāng)選擇和設(shè)計(jì)助催化劑材料。

太陽能驅(qū)動(dòng)的CO2生物技術(shù)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)包括光合生物混合系統(tǒng)、光系統(tǒng)II混合系統(tǒng)等。CO2的生物技術(shù)轉(zhuǎn)化研究日益增多，相關(guān)領(lǐng)域也取得重大突破，但是CO2生物技術(shù)轉(zhuǎn)化過程中涉及的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理尚未得到證實(shí)，對這一過程的認(rèn)識也不夠清楚和深入。只有掌握了這些，才能設(shè)計(jì)和構(gòu)建高效的CO2生物技術(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。未來，這項(xiàng)重要技術(shù)將以綠色的方式利用CO2，有效地解決環(huán)境和能源問題。生物相容性的固態(tài)納米器件可以與生物系統(tǒng)結(jié)合，通過生物技術(shù)轉(zhuǎn)化將CO2轉(zhuǎn)化為各種增值化學(xué)品。

總之，利用太陽能驅(qū)動(dòng)CO2還原為各種增值化學(xué)品，可為全球變暖問題和替代能源的需求提供雙贏的解決方案。光催化轉(zhuǎn)化、光熱轉(zhuǎn)化、光電協(xié)同轉(zhuǎn)化和生物技術(shù)轉(zhuǎn)化相互結(jié)合，有望建立一個(gè)可持續(xù)的太陽能催化系統(tǒng)，但這需要不斷的嘗試和探索。