近期，中国科学院地球环境研究所在全天候太阳光驱二氧化碳资源化利用研究中获进展，我们特邀请研究人员对成果进行介绍。工业革命以来，化石燃料的使用排放了大量二氧化碳（CO2），加剧全球变暖。为应对气候变化，我国已提出2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的战略目标。由于能源结构的限制，我国在未来较长一段时间内仍会以煤炭等化石燃料为主要能量来源，短时间内还难以摆脱对化石能源的依赖。
于是，科学家们提出通过一定的技术手段将化石燃料使用过程中排放的CO2封存利用，这样就可以保障经济和生态的协调发展。
通过可再生能源将CO2催化转化为高附加值燃料是一种吸引人的CO2转化利用方式，能够同时缓解能源危机并减少CO2排放，可为“双碳”目标提供重要科技支撑。太阳能清洁、可再生，在我国供给量大，是较为理想的驱动CO2转化利用的能量来源。
在太阳光驱动CO2转化过程中，主要依靠太阳光激发出催化剂中的还原性光生电子，从而实现CO2还原。但是，还原性光生电子寿命通常都很短，在亚皮秒到秒的数量级，导致CO2转化反应在光照停止后会迅速中止。由于地表太阳辐照强度受昼夜更替和天气变化影响，夜间、云雨天太阳光照强度迅速降低到接近零。太阳能供给的不确定性和CO2转化对光照的依赖性，限制了光催化CO2转化技术的进一步应用。
自然光合作用为我们提供了突破太阳光供给不确定性对光催化CO2转化技术应用限制的思路。绿色植物通过自然光合作用将CO2转化为碳氢化合物可分为两个步骤：光反应和暗反应。光反应过程中，植物在光照下合成还原性中间体（NADPH和ATP）。暗反应过程中，在还原性中间体的作用下，CO2可被逐步转化为碳氢化合物。
那么，是否可以模拟自然光合作用，在催化剂中也存储一种还原性物质，在需要CO2转化的时候通过释放还原性物质驱动CO2的转化呢？从热力学上来看，通过质子/电子途径将CO2还原为甲烷（CH4）的过程是放热过程（ΔG = －113 kJ/mol），在一定条件下反应可以自发进行。可见，如果将还原性的电子和质子存储在催化剂中作为还原性物质，那么在光照结束后实现可持续的全天候CO2甲烷化，在原理上是可行的。
基于上述分析，中国科学院地球环境研究所黄宇研究员团队联合中国科学院大气物理研究所曹军骥研究员团队和中国科学技术大学熊宇杰教授团队，提出了全天候CO2还原这一概念，并设计了一种Pt-WO3模型催化剂验证这一概念的可行性。Pt-WO3催化剂中的钨元素可以从六价变为五价，实现对电子的存储；Pt位点可将光解水产生的氢原子溢流到WO3的表面和孔结构中，实现对氢原子的存储。
在存储氢原子和电子后，就可以在光照结束后持续进行CO2转化。此外，该联合团队为了验证在真实环境中CO2持续转化的可行性，基于材料特性设计了光反应和暗反应串联的新型反应装置，并将该反应装置置于自然光下开展连续15天的CO2还原实验。测试结果中可以看出，在夜间、云雨天都可以实现对CO2的转化，说明该反应过程能够应对昼夜更替和短期天气变化的影响，实现了全天候稳定催化CO2转化。
该研究结果以Sustainable all-weather CO2 utilization by mimicking natural photosynthesis in a single material为题发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR），黄宇研究员、曹军骥研究员和熊宇杰教授为论文共同通讯作者。
该研究可为突破全天候太阳光驱动CO2资源化利用的关键技术瓶颈提供思路。