万恶之源的最终归宿：太阳能
驱动二氧化碳转化
近年，冰川融化、海平面上升、海水酸化、全球气候变暖等等诸如此类的环境问题扑面而来，逐渐引起了人们的广泛关注，而产生这些问题的主要原因之一就是二氧化碳的大量排放。自工业革命以来，化石能源消耗日益增长，二氧化碳的排放也随之增加，大气中高浓度的二氧化碳不仅影响了环境，还影响了人们的生活。但是人类发展离不开化石能源的燃烧，而二氧化碳又是一种稳定的分子，在大气中稳定存在，不容易分解消耗，那这个问题又该如何解决呢？这引发了全世界科学家们的思考。
学术界针对这个挑战，将研究的目光投向了“回归自然”。自然界就是利用植物的光合作用，将二氧化碳转化成可以利用的资源，从而实现碳循环的稳定。受到自然界这个神奇的“科学家”的启示，大家不约而同地想到可以利用人工光合作用实现二氧化碳的转化。对于太阳能驱动的二氧化碳转化需有两个条件：一是吸光单元，即吸收太阳光子，将其能量用于化学转化；二是催化位点，即作用于二氧化碳分子，实现定向化学转化。而这两个条件就决定了光催化二氧化碳转化的催化剂的设计，为催化剂的选择提供了方向。
那满足以上两个条件的催化剂都可以实现光催化二氧化碳转化了吗？答案当然不是。由于二氧化碳是一种惰性分子，不容易活化，并且即使实现了活化，它又会有多种不同的产物产生，难以实现定向的化学反应。所以这个反应还存在两个瓶颈：活性和选择性。从2011年开始，中国科学技术大学熊宇杰教授团队就一直围绕这些瓶颈问题，开展多学科交叉研究，取得了一系列进展。
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2017
2017年熊宇杰团队通过材料的表面和界面结构的调控，设计了钯铜合金负载到二氧化钛的催化剂，实现了高效高选择性的光催化二氧化碳转化甲烷。其中二氧化钛作为吸光单元，钯铜作为催化位点活化二氧化碳，同时钯为二氧化碳转化甲烷提供了氢源，最终其甲烷生成选择性高达96%，超过了当时报道的最高值。其成果发表在化学领域的顶尖杂志《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 4486?4492)。
2018
2018年熊宇杰团队又通过材料的表面和界面结构的调控，设计了单原子钴催化位点和钌配合物吸光单元通过石墨烯载体结合的催化剂，实现了高效的光催化二氧化碳转化一氧化碳，效率比同类型催化剂更杰出，其TON（单位活性位转化的二氧化碳分子数）高达678，TOF（单位时间单位活性位转化的二氧化碳分子数）高达3.77min-1，一氧化碳选择性达到88.43%。其成果发表在材料领域的顶尖杂志《先进材料》上（Adv. Mater. 2018, 30, 1704624）。
2019
2019年熊宇杰团队在原本纯光催化的基础上引入了外加电的辅助，形成了光电催化体系，在原本光催化的基础之上实现了更高的活性和选择性。通过材料的表面和界面结构的调控，设计了铜基金属有机骨架材料包覆的氧化亚铜催化剂，在外加偏压的作用下实现了光催化二氧化碳转化，其中氧化亚铜作为吸光单元，金属有机骨架材料的铜作为催化位点，其光电催化二氧化碳转化为一氧化碳的光转化效率高达0.83%，法拉第效率接近100%。其成果发表在化学领域的顶尖杂志《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. 2019,141, 10924?10929)。
2020
为了更好地从微观状态下了解二氧化碳反应过程中催化位点的动态变化，便于今后催化剂的设计，2020年熊宇杰团队采用钌配合物作为均相吸光单元、镍配合物作为均相催化位点，采用时间分辨的泵浦-探测同步辐射X射线吸收谱技术，了解了催化反应全过程中催化位点的动态变化。这项工作开启了均相催化剂体系中二氧化碳还原机制的黑匣，并为开发有效的人工光合作用催化剂提供了关键信息。其成果发表在化学领域的顶尖杂志《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. 2020,142, 5618?5626)。
熊宇杰团队近年来通过与其他学科研究团队的紧密合作和持续创新尝试，在太阳能驱动二氧化碳转化方面取得了很多优异的成果，未来也会尝试从不同领域获取更多启发，并应用于太阳能驱动二氧化碳转化领域。
