在应对全球气候变化的征程中，光催化CO2还原技术以“人工光合作用”之名，成为将温室气体转化为能源的突破性方案。这项技术通过模拟植物光合作用，利用太阳能驱动半导体催化剂，将CO2与水转化为甲烷、甲醇等燃料，为碳中和目标提供了“零排”的循环路径。
一、技术核心：光子驱动的分子级转化
光催化CO2还原的机制犹如一场精密的“光-电-化”接力赛。当半导体材料（如TiO2、CO2dS或金属有机框架MOFs）吸收能量大于其禁带宽度的光子时，价带电子跃迁至导带，形成高活性电子-空穴对。这些载流子迁移至催化剂表面后，电子将CO2还原为CO2、甲酸等中间体，而空穴则氧化水生成氧气。例如，西安交通大学团队研发的节点金属有机笼，通过可见光激发实现CO2向CO2的高效转化，选择性达90%以上，转换频率超3500 µmol·g⁻¹·h⁻¹，性能远超传统催化剂。
二、创新突破：从材料设计到反应路径
催化剂的优化是提升效率的关键。华中科技大学王靖宇教授团队开发的铟-有机框架异质结材料（M68N@In-TCPP），通过核壳结构实现氧化还原双活性位点的协同作用：外层In-TCPP增强CO₂吸附与可见光吸收，内核M68N高效催化水氧化，太阳光驱动下CO₂还原产率达397.5 µmol·g⁻¹·h⁻¹，同时生成H₂O₂。此外，原位红外光谱技术揭示了反应路径——CO₂先被吸附为*CO₂⁻中间体，再逐步转化为甲酸盐（HCOO⁻），最终生成甲醇或甲烷。
三、应用前景：从实验室到工业场景
光催化CO2还原技术已展现出多场景应用潜力。在分布式能源领域，模块化太阳能板式反应装置可灵活部署于工业园区，利用余热提升反应温度，将CO2转化为燃料；在化工生产中，该技术可替代传统热催化工艺，减少碳排放。例如，重庆大学团队研发的光热协同催化系统，通过仿生矩阵结构强化光吸收与传质效率，甲烷产率达80 L/天，选择性超90%。
四、挑战与未来：迈向产业化之路
尽管光催化CO2还原技术潜力巨大，但商业化仍面临太阳能转换效率低（目前最高仅1‰量级）、催化剂稳定性不足等挑战。未来研究将聚焦于新型光催化材料（如二维材料、单原子催化剂）的开发，以及光-热-电多场耦合系统的构建。随着技术的成熟，光催化CO2还原有望成为连接可再生能源与碳循环的桥梁，为人类社会开辟一条“变废为宝”的可持续发展之路。
