哈尔滨工业大学教授，博士生导师，工学博士，国家高层次人才。目前主要从事低碳能源与先进储热技术、超构材料光热调控与器件开发、材料光热辐射物性测量与装置研制等研究。研究成果获得国防技术发明二等奖1项、黑龙江省科学技术一等奖3项。兼任《Solar Energy》《Energy Storage and Saving》《Carbon Neutrality》《能源环境保护》等学术期刊的编委，科技部中国-俄罗斯先进能源动力”一带一路”联合实验室主任、哈尔滨工业大学国家储能技术产教融合创新平台主任、虚拟仿真实验教学创新联盟能源动力类主任委员等。

      随着热化学技术及相关反应机制认知的不断进步，二氧化碳回收转化为高附加值燃料或其他化工产品的清洁能源技术正逐步走向成熟。同时，因社会工业进步及人类生产活动加剧大气中的二氧化碳浓度，且已远超地球正常发展的浓度阈值，这使得基于二氧化碳转化的零碳高效可再生清洁能源技术成为世界各国为应对全球能源与环境问题亟待实现的关键技术。鉴于二氧化碳热催化转化的基本原理、关键材料和反应系统的相关研究对于推动该技术的工业化进程有着至关重要的作用。本文报道了二氧化碳热催化转化机制相关的最新进展，重点阐述了对热催化过程具有辅助作用的活性气体（包括H2O、CH4和H2）在实现高水平二氧化碳回收转换与高效合成气生产方面的催化机制，其核心体现在优化的反应动力学与温和条件下的热力学优势。

      目前人类活动所消耗的一次能源以化石燃料为主，燃料燃烧产生的碳排放约占全球碳排放的90%。多数工业催化反应（如Haber-Bosch工艺和Fischer-Tropsch合成）是由热能驱动，对化石燃料需求巨大，生产过程中产生的大量二氧化碳对环境存在严重影响，极大地限制了相关过程的可持续性。为实现碳中和目标，研究者们提出了相关的方法、技术和路径，以便更有效、快速地减少二氧化碳排放。捕获和就地转化二氧化碳是应对碳中和挑战最有效的策略，包括燃煤电厂、黑色和有色金属冶金工艺、水泥生产等在内的二氧化碳排放源，都涉及热驱动的化学反应。为满足这些生产的高能源需求，研究者们寻求绿色和可持续方法，如采用太阳能热效应驱动催化过程。利用太阳能热催化转换二氧化碳生产清洁燃料的可再生系统开发是新能源产业的一个关键研究重点，目前已有大量工作围绕未来可持续碳基能源的太阳能热化学储能技术。

      太阳能热催化过程是一个新兴的研究领域，在温和条件下通过各种催化反应高效转化太阳能的方式具有巨大的潜力。在适当的反应条件下，二氧化碳可以高效地转化为可持续的燃料或绿色化工产品。然而，要同时实现高太阳能转换效率和良好的循环稳定性仍存在挑战。研究者在提高传热效率和多电子传输过程的动力学和热力学方面进一步研究和创新思路，在阻止电子-空穴重组、加速光热能量转换过程提出了高效解决方案，其研究重点集中于先进反应装置设计以及光、热电子输运特性的强化等方面。相关研究表明，在其他活性气体（H2O、CH4和H2）的帮助下，CO2可直接或间接地被热还原为C1+和C2+。如图1所示，以CO2、H2O和H2为主要原料，通过太阳能驱动的Sabatier反应和逆向水煤气转换（RWGS）反应，可以生成合成天然气（SNG）和CO等产品。鉴于合成天然气对可持续发展的贡献，其因高能量密度和基础设施强兼容性特点而在化工工艺中占据了独特地位。一氧化碳则是生产甲醇和长链碳氢化合物的重要原料。目前已开发了多种热催化工艺以促进二氧化碳转化，其特点是在热激活时具有不同的反应性、选择性和稳定性。根据反应条件，热催化二氧化碳转化反应介质可能存在复杂的耦合现象，包括热解、焦化、碳化、气化、燃烧、分解、煅烧、热氧化、热还原、热裂化以及各种氧化还原或催化剂材料的烧结等。热催化二氧化碳还原反应在热力学和动力学上都是可行的，通常具有反应速度快和产品选择性强的特点，但面对仍然存在的关键挑战和技术瓶颈，需更多的研究投入相关领域以实现更高效率的二氧化碳转化。目前研究者们对二氧化碳热催化转化反应的机制和动力学相关研究不足，限制了对反应方案、反应物转化、反应工况优化、中间产物、主要产物选择性以及各种影响因素下反应速率变化的深入了解。

      已有大量的基础研究集中于多种形式耦合的实验方法，致力于设计热催化反应和装置以及制备纳米复合催化材料，其最终目标是寻求一种高效的二氧化碳捕获和转化、燃料生产和高密度化学能源储存的方法，这在可持续的碳中和能源和环境发展方面表现出了巨大的潜力。鉴于其对实现碳中和目标和日常生活可持续发展的贡献，无疑需要一门学科来缩小温室气体（主要为CO2和CH4）排放和转化为工业化学原料之间的差距。为满足这种需要，热催化过程已成为一个跨学科的科学技术领域，研究热诱导催化剂活化和热驱动化学反应的相关过程。本文主要介绍H2O/CH4/H2辅助热催化二氧化碳转化机制，列举创新反应过程和相关反应器设计，重点阐述与太阳能热化学CO2转化有关的科学问题和关键限制因素，明确了将热化学系统升级为更合理和高效CO2转化方法的手段，综合该领域的主要研究进展，进一步讨论对二氧化碳催化转化的研究观点，并评估该方法对可持续能源和环境发展的应用潜力。

图1 热催化CO2转化机制

图2 泡沫填充的多孔陶瓷接收器的太阳能热转换机理描述