研發高效的減污降碳、CO2資源化手段，是實現可持續發展的科學熱點問題。自然界的光合作用能夠解耦光吸收和CO2還原過程，為利用間歇性太陽能（晝夜、陰晴）提供了新思路。太陽光能量密度低且供給不穩定，難以用于可控的CO2資源化轉化。因此，如何利用間歇性太陽能，并結合煙氣余熱，實現CO2可控、高效轉化，具有重要的科學和現實意義。

地球環境研究所空氣凈化新技術團隊（AirPNT）聯合多家單位，創新提出利用太陽能收集氫原子和電子、實現CO2資源化的新思路，成功克服太陽能的間歇性供給限制，結合工業余熱在低溫（低至150°C）下實現了CO2的按需轉化。團隊受自然光合作用啟發，設計利用太陽光和水在催化劑中儲存電子和氫原子新方法（圖1），儲存的電子和氫原子可在加熱條件下釋放，用于低溫還原CO2，實現CO2的按需轉化。概念驗證實驗中，Cu負載至WO3獲得Cu/WO3催化劑。在光照下，光催化水分解，生成的氫原子與電子儲存在Cu/WO3中，形成亞穩態中間體（Cu/HxWO3）。隨后，低溫下（150–300°C）加熱激活Cu/HxWO3，釋放儲存的電子和氫原子，實現CO2還原。實驗進一步證明了自然光驅動思路的可行性（圖2），為利用間歇性太陽能、實現CO2資源化開辟了新途徑。該成果基于地球環境研究所近年來“形成可復制、易推廣減污降碳技術”的研發布局和成果積累，將有力推動綠色能源驅動CO2深度轉化的科學技術與產業化發展。

該成果近期發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。中國科學院地球環境研究所博士研究生石先進為論文第一作者。中國科學院地球環境研究所黃宇研究員、中國科學院大氣物理研究所曹軍驥研究員和中國科學技術大學熊宇杰教授為論文共同通訊作者。陜西師范大學和香港科技大學（廣州）的研究團隊也參與了該工作。該研究得到中國科學院戰略先導專項、中國科學院青年交叉團隊項目，及國家自然科學基金的共同資助。

Xianjin Shi; Wei Peng; Yu Huang*; Chao Gao; Yiman Fu; Zhenyu Wang; Leting Yang; Zixuan Zhu; Junji Cao*; Fei Rao; Gangqiang Zhu; Shuncheng Lee; Yujie Xiong*; Integrable utilization of intermittent sunlight and residual heat for on-demand CO2 conversion with water. Nature Communications 2024, 15, 10135.

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54587-2

圖1存儲電子和氫原子實現按需CO2轉化示意圖

圖2?外場示范應用結果