CO₂还原是人工光合作用的关键步骤，可以有效解决温室效应，同时实现资源化利用。经过多年研究，CO₂还原虽然取得了一系列重要进展，但是，总的来说，仍然存在C2选择性较差、能源转化效率不高、难以规模化生产等重难点问题。 

　　有鉴于此，《自然·催化》（Nature Catalysis）连续报道了3篇CO₂还原相关的研究成果，对C2选择性和规模化转化起到重要借鉴作用。 

　　针对电催化还原CO2中C2: C1选择性不佳的问题，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent团队发展了一种电化学沉积的Cu催化剂，具有优异的C2选择性。 

　　图1. 电还原沉积Cu纳米催化剂 

　　研究人员以溶胶凝胶材料为基础，缓慢的电化学还原有利于控制Cu纳米催化剂的形貌和氧化态。棱角分明的形貌和氧化态之间的相互作用，有效提高了CO₂还原的C2选择性。乙烯电流密度达到160 mA cm^-2（-1.0 V vs RHE），乙烯/甲烷比高达200。 

　　Phil De Luna, Edward H. Sargent et al. Catalyst electro-redeposition controls morphology and oxidation state for selective carbon dioxide reduction. Nature Catalysis 2018, 1, 103–110, DOI: 10.1038/s41929-017-0018-9. 

　　Cu纳米催化剂由于良好的C-C偶联能力，在电催化还原CO₂制C₂₊领域具有重要优势。针对Cu纳米催化剂在水中C2选择性较差的问题，哈佛大学汪淏田（Haotian Wang）课题组和斯坦福大学Karen Chan课题组团队合作，基于密度泛函理论（DFT）计算发展了一种金属离子电池循环方法调控纳米Cu的晶面，实现了CO₂高选择性电催化还原制C₂₊产物。 

　　图2. 不同晶面Cu催化剂电催化还原CO₂的性能 

　　DFT计算表明，Cu(100)和(211)台阶面比Cu(111)更有利于催化形成C₂₊产物。于是，研究人员构建了一种铜离子电池，经过100圈循环制备得到大量暴露(100)面的Cu纳米立方体。和抛光的Cu箔对比，这种Cu(100)纳米立方体催化还原CO₂得到的产物中，C₂₊/C1比例提高了6倍，C₂₊法拉第效率高达60%，H₂不足20%，C₂₊电流密度约40 mA cm^-2。 

　　Kun Jiang, Karen Chan, Haotian Wang et al. Metal ion cycling of Cu foil for selective C–C coupling in electrochemical CO2 reduction. Nature Catalysis 2018, 1, 111–119, DOI: 10.1038/s41929-017-0009-x. 

　　针对太阳能驱动的人工光合作用系统中，电流密度较低，CO₂-CO电解槽不稳定等问题，西门子公司的Guenter Schmid和赢创公司的Thomas Haas等团队合作，基于Ag纳米催化剂开发了一种在氯碱工业商业化的气体扩散电极材料，作为CO₂电解槽的正极，实现了太阳能-醇转化效率高达8%。 

　　图3. 规模化人工光合作用示意图 

　　首先，Ag纳米催化剂将CO₂转化成合成气。然后，合成气在生物反应器中发酵，将CO高效转化成醋酸盐、乙醇、丁醇、正己醇等等高附加值化学品。根据发酵工艺使用的细菌种类不同，CO转化的产物选择性也不同。 

　　这种Ag基正极材料可以实现300 mA cm^-2的电流密度，以及超过1200小时的连续工作时间。电解槽将光伏电能、CO₂以及H₂O转化为醇类化学品的法拉第效率达到几乎100%。这项研究为人工光合作用走向实用化迈出了重要的一步。 

　　Thomas Haas, Guenter Schmid et al. Technical photosynthesis involving CO2 electrolysis and fermentation. Nature Catalysis 2018, 1, 32–39, DOI: 10.1038/s41929-017-0005-1.