随着人为活动导致的二氧化碳排放量逐年攀升，全球气候正经历着前所未有的深刻变革。这一趋势犹如给地球披上了一层厚重的“温室效应外衣”，显著加剧了全球变暖的态势，进而触发了海平面上升、极端气候事件频发等一系列连锁反应，对地球生态系统、人类社会结构及经济发展模式构成了长远且深远的影响。

为有效缓解大气中二氧化碳浓度的持续上升，采用清洁能源推动二氧化碳的化学固定成为了一项至关重要的策略。在众多二氧化碳转化途径中，将其转化为环状碳酸盐的反应尤为引人注目，因其不仅实现了原子利用率的最大化（100%），而且产物环状碳酸盐还具备作为优质绿色溶剂的潜力。然而，传统热催化方法虽能实现较高的反应速率（如14.6 mol/(g·h)），但其依赖的高温高压条件不仅抬高了生产成本，还间接增加了碳排放，与碳减排的初衷相违背。

为克服这一障碍，科研人员转而探索更加环保、清洁的能源解决方案。2018年，一项突破性进展应运而生——首次利用光能实现了二氧化碳与环氧化物的合成反应，标志着光催化技术在二氧化碳转化领域的应用迈出了关键一步。随后，多种高效催化剂被研发出来，以进一步促进光催化二氧化碳环加成反应的进行。这一创新工艺巧妙地将光能而非热能作为驱动力，在温和条件下即可将二氧化碳转化为高附加值的环状碳酸盐，从而在环境友好与经济可行性上实现了双赢。

尽管已取得显著成就，但光催化二氧化碳环加成技术仍面临诸多挑战，包括：深入解析反应机理以优化催化剂设计；在保持温和条件的同时，提升转化效率与反应速率；以及推动该技术从实验室走向大规模工业化应用。面对这些挑战，持续的科学探索与技术创新将是推动该领域不断前行、为实现全球碳中和目标贡献力量的关键所在。

本文通过归纳总结光催化二氧化碳环加成实验的最新成果，从反应机理、关键影响因素和光催化材料方面研究了温和条件下光催化二氧化碳环加成的现状。本文还根据当前光催化技术面临的挑战和取得的进展，总结归纳了有潜力适配该反应的反应装置，通过结合这些装置可以促进该反应的实际运用。

二氧化碳环加成技术，作为一种创新的策略，旨在高效利用二氧化碳资源，不仅提升了原子经济性，还显著降低了大气中的二氧化碳浓度，从而有效缓解了温室效应的影响。这一转化过程所生成的环状碳酸盐，因其独特的化学性质而价值非凡，广泛应用于极性溶剂、锂离子电池电解质以及精细化学品合成的关键中间体等领域。尽管该领域的研究起步较晚，但已迅速取得了一系列令人瞩目的阶段性突破，包括直接利用自然光驱动的高效反应系统以及实现高达271 mmol/(g·h)的卓越产量记录。

本综述深入探讨了光催化二氧化碳环加成系统的最新研究进展，特别聚焦于基于金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）、多孔有机聚合物（POP）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、二氧化钛（TiO₂）及硫化锌铟（ZnIn₂S₄）等先进材料的光催化剂。其中，MOF与g-C₃N₄因其卓越的稳定性与循环性能脱颖而出，成为该领域的研究热点。为进一步提升光催化效率，当前的研究聚焦于多个关键方面，包括优化光生电子-空穴对的分离效率、延长载流子寿命、调整光热特性以适应反应需求、增大比表面积以促进反应物接触、增加路易斯酸碱位点数量以增强催化活性、提升二氧化碳吸附能力、拓宽光响应范围以及增强光吸收能力等。

此外，为了推动二氧化碳环加成技术的实用化进程，本文还探索了适用于该反应的新型光催化装置设计思路。这些装置被期望能够兼容三相反应体系，具备循环使用功能，并能直接利用太阳能及空气中的二氧化碳资源。然而，目前将此类装置与光催化二氧化碳环加成技术深度融合的研究仍处于初级阶段，未来需进一步探索与优化。

综上所述，光催化二氧化碳环加成技术展现出巨大的应用潜力与广阔的发展前景，其未来的发展方向将聚焦于催化剂性能的优化、反应装置的创新设计以及整体系统的集成化、高效化，以期实现二氧化碳资源的高效转化与利用。

该图总结了目前光催化二氧化碳和环氧化物的反应过程以及主要光催化剂：金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）、多孔有机聚合物（POP）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、二氧化钛（TiO₂）及硫化锌铟（ZnIn₂S₄）。

吕小军，通讯作者，华北电力大学（北京）新能源学院教授，博士生导师。主要研究方向：太阳能转化与存储，氢能，光储一体化等。已在Chem Catal., ACS Catal., ACS Nano, Chem. Mater., Sci. Bulletin, Applied Catal. B, 等国内外能源材料化学核心期刊发表文章70余篇，引用超7000次；主持多项国家自然科学基金、北京市自然科学基金、科技部外国专家项目；作为学术骨干参与多项国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项子课题，科技部重点研发计划（973计划）子课题、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、科技部港澳合作项目、北京市科技挂帅项目、三峡集团/华电科技合作项目、华能集团/华电科技合作项目等；授权专利 5 项。获协和新能源育才奖；中国可再生能源学会光伏专业委员会委员、副秘书长，中国感光学会光催化专业委员会委员。

E-mail：lvxiaojun@ncepu.edu.cn。

Chen X, Liu Y, Wang G, et al. Recent advances in photocatalytic CO₂ cycloaddition reaction. Nano Research, 2024, 17(11): 9601-9619. https://doi.org/10.1007/s12274-024-6953-2.