近年来，随着全球气候变化的日益严峻，二氧化碳（CO2）的减排与资源化利用成为了科学研究的热点。其中，利用光、电及光电化学方法将CO2还原为有价值的化学品或燃料，被视为一种有潜力的CO2资源化利用途径。
在这一领域，铜（Cu）作为单金属原子催化剂因其独特的催化性能和成本效益而备受关注。本文将重点综述基于铜单原子修饰的碳氮化物（如石墨相氮化碳g-C3N4）表面光、电及光电化学催化剂在CO2还原方面的最新进展。
01 铜单原子催化剂的优势
铜单原子催化剂具有高的催化活性、选择性和稳定性，其催化性能往往优于传统的铜纳米颗粒或铜基复合材料。此外，铜单原子催化剂的制备成本相对较低，且易于与各种载体材料结合，形成高性能的催化体系。
02 碳氮化物载体的特性
石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型的二维材料，具有优异的电子传输性能、高的化学稳定性和良好的光吸收能力。这些特性使得g-C3N4成为铜单原子催化剂的理想载体。通过合理的结构设计，可以将铜单原子均匀地分散在g-C3N4表面，形成高效的催化活性位点。
03 光、电及光电化学催化CO2还原的研究进展
光催化CO2还原：利用太阳光激发g-C3N4产生的光生电子和空穴，与吸附在铜单原子催化剂上的CO2分子发生反应，生成还原产物。研究表明，通过优化铜单原子的负载量和分布，可以显著提高光催化CO2还原的效率和选择性。
电催化CO2还原：在电解池中，通过施加电压使g-C3N4表面的铜单原子催化剂发生电化学反应，将CO2还原为甲醇、乙醇等有机化合物。电催化方法具有反应条件温和、产物种类多样的优点。
光电化学催化CO2还原：结合光催化和电催化的优点，利用g-C3N4的光吸收能力和铜单原子催化剂的催化性能，实现光电化学协同催化CO2还原。这种方法不仅提高了催化效率，还降低了能耗。
04 图文导读
尽管基于铜单原子修饰的碳氮化物表面光、电及光电化学催化剂在CO2还原方面取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，铜单原子的负载量和分布难以精确控制，导致催化性能的不稳定；催化过程中的副产物生成问题仍需解决；以及催化剂的长期稳定性和再生性等问题。
针对这些挑战，研究者们提出了多种解决方案。例如，通过改进催化剂的制备方法，实现铜单原子的精确负载和分布；利用先进的表征技术，深入研究催化机理，优化催化条件；以及开发新型载体材料和催化剂结构，提高催化剂的稳定性和再生性。
06 结论与展望
基于铜单原子修饰的碳氮化物表面光、电及光电化学催化剂在CO2还原方面展现出巨大的潜力。
未来，随着催化剂制备技术的不断进步和催化机理的深入研究，有望实现更高效、更稳定的CO2还原过程，为CO2的资源化利用提供新的途径。
同时，这一领域的研究也将推动新能源技术的发展，为应对全球气候变化做出重要贡献。
