目前，對于傳統熱催化還原CO2的研究主要集中于高活性、高選擇性、高穩定性催化材料的開發及催化機理的研究，產物主要以一氧化碳（CO）、甲醇（CH3OH）低碳烯烴和烴類燃料為主。通過逆水煤氣（RWGS）反應產CO具有很高的靈活性，因為產物CO又可以重新作為反應物用于甲醇及烴類的生產。但是，RWGS反應是典型的吸熱反應，需要在較高溫度條件下進行，因此，RWGS反應的研究主要集中在如何克服反應動力學障礙以獲得更高的CO產率方面；CO2轉化為甲醇是最直接的CO2利用路線，因為甲醇可以直接作為燃料添加劑、燃料替代品以及許多通用化學品的前驅體。雖然CO2通過加氫的方式合成甲醇的反應是放熱過程，但在低溫條件下反應又會受到動力學因素的限制。
CO2轉化為不同產品的兩種主要路徑
1、逆水煤氣反應產一氧化碳
典型的RWGS反應催化劑通常將活性組分高度分散在金屬氧化物載體表面，通過增大金屬–載體界面來提高催化劑活性。研究表明，RWGS反應產CO可能存在兩種不同的反應路徑，一是氧化還原機理（以活性金屬Cu為例），在催化劑表面CO2將CuO氧化為Cu+的同時產生CO，然后H2再將Cu+還原為CuO并生成H2O；另外一種更為廣泛認可的是甲酸鹽分解機理，CO2首先通過加氫生成甲酸鹽，然后C=O雙鍵斷裂生成CO。因此，高效的RWGS反應催化劑應該同時具有良好的加氫活性與斷裂C=O雙鍵活性。其中金屬顆粒負載的金屬氧化物催化劑由于金屬較好的H2解離能力及其與載體之間的氫溢流效應而得到廣泛應用。基于以上提出的反應機理，常用的催化劑體系有Cu基催化劑、貴金屬催化劑及以CeO2為載體的催化劑。
2、CO2加氫產甲醇
通過RWGS反應實現CO2加氫到甲醇（CAMERE）可以達到每年約75Mt的產量。整個過程首先需要在ZnAl2O4上進行RWGS反應，除去水氣后在Cu/ZnO/ZrO2/Ga2O3上進行甲醇合成的反應，該過程雖然可以得到一定量的甲醇，但需要兩種催化劑及反應器，具有較高的成本。因此，目前研究主要集中在Cu基催化劑上的CO2直接加氫到甲醇方面。結果表明，Cu基催化劑的催化活性具有明顯的結構敏感性，不同的元素組成、晶面暴露、界面結構主要影響到CO2的吸附及活化過程，進而影響甲醇選擇性及產率。在機理研究的基礎上，許多研究還通過添加助劑或采用其他催化體系的方式增強催化劑對CO2的吸附活化性能及產物甲醇的選擇性。
3、費托反應產烴類
另外一種CO2催化還原的路徑是通過CO2加氫的費托反應（CO2-FT）產烷烴或烯烴。目前，在每年產生200Mt烯烴的同時還會排放出1.2–1.8噸的CO2，通過CO2-FT路徑可以在制備烯烴的同時減少CO2的排放。但高活性CO2-FT反應催化劑的設計十分困難，理想的催化劑必須同時具備高RWGS反應活性及高FT反應活性，而且只有當FT反應過程可以足夠快的轉化RWGS反應生成的CO時，才能打破RWGS反應的熱力學限制從而實現更高的CO2轉化率。傳統通過合成氣的FT反應（CO-FT）常用的催化劑以Fe基催化劑（高溫時）和Co基催化劑（低溫時）為主，對比它們催化CO-FT和CO2-FT的活性可知，CO的轉化率（最高至87%）要顯著高于CO2的轉化率（最高45%），這說明當反應的碳源從CO變為CO2后，需要在傳統FT反應催化劑基礎上設計開發新的催化劑以提高反應活性。目前關于CO2-FT反應催化劑的研究以Fe基催化劑為主，與Co基催化劑相比，Fe基催化劑具有更高的CO2轉化率及高碳烯烴選擇性，Fe基催化劑性能的提升主要是由于提高了RWGS反應的活性而引起的，但關于反應過程中Fe基催化劑的活性中心是氧化鐵還是氧化亞鐵仍然存在較大分歧。除產高碳烯烴外，CO2直接甲烷化在一些特定地區也具有十分重要的研究價值。CO2甲烷化反應的研究以Ni基催化劑為主，另外部分貴金屬（如Ru、Rh）則表現出更高的低溫催化活性。
CO2催化還原最重要的是選擇性的問題，想要提高特定產物的選擇性需要綜合考慮反應的動力學、熱力學及中間產物。針對不同的CO2還原路徑，高活性、選擇性及穩定性催化劑的設計仍然存在著許多問題，具體如下：（1）催化劑表面反應關鍵中間體的穩定；（2）原位手段對反應過程的表征及機理的研究；（3）低成本催化劑的開發；（4）催化劑抗水、抗中毒性能的提升；（5）開發無CO2排放的新型H2源等。其中，通過原位手段對反應過程的表征及機理的研究是解決問題的關鍵。
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