传统的化工生产仍然依赖于化石碳源来生产化学品和燃料，导致在生产过程中向大气中释放CO2。CO2的持续积累对全球环境构成了重大威胁。为了解决这个问题，捕获工业过程中或大气中的CO2，并将其转化为高值化学品，特别是多碳化合物（C2+）和其他高阶化学品，是一个有发展前景的方法。
随着太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的快速发展，以及高效催化剂的出现，CO2的直接还原反应（CO2RR）已成为将CO2转化为C2+产物的一种极具吸引力的方法。然而，CO2RR生成C2+产物的反应机理涉及多步质子耦合电子转移（PCET）和C-C耦合过程；通过增加吸附质子（*Had）和*CO中间体的表面覆盖率，可以加速PCET和C-C耦合的反应动力学，从而促进C2+产物生成。然而，在单组分催化剂上，*Had和*CO是竞争性吸附中间体，很难通过优化单组分催化剂的结构来打破其对*Had/*CO中间体吸附能的线性标度关系。基于此，开发多组分串联催化剂，通过辅助位点促进水解离或催化CO2还原制CO来提高*Had或*CO中间体在活性位点的表面覆盖率。此外，由于直接CO2RR过程中化学成键类型的局限性，导致CO2RR的产物被限制在C2H4、CH3COOH、CH3CH2OH和CH3CH2CH2OH等产品。在此基础上，开发级联催化系统来串联利用直接CO2RR的C2+产物，并将其深度转化成更高附加值的化学品，是实现CO2深度升级的一种有效途径。浙江大学侯阳研究员全面综述了用于催化CO2RR生成C2+产物的串联催化剂的设计原则和相关研究成果；以及串联利用CO2RR的C2+产物实现CO2深度升级为高阶化学品的级联催化反应系统的近期成果。首先，基于对CO2RR制备C2H4、CH3COOH、CH3CH2OH和CH3CH2CH2OH的反应机理分析，总结了具有对上述产物具有特异选择性的优势串联催化剂的结构设计原则。总的来说，串联催化剂是通过辅助位点对水解离或CO2还原制CO的促进作用来增强活性位点上的*Had或*CO表面覆盖率；而对于CH3COOH的制备，设计原则是促进烯酮中间体的形成以及构建局部高碱性环境。此外，本文还概述了目前级联CO2RR体系的研究进展，通过下游的电催化反应、微生物发酵、酶催化等反应将CO2RR中的C2+产物进行后续转化，实现了CO2到环氧化物、醇胺化合物、长链碳化合物以及药物前体等高阶化学品的转化，为从原始CO2中产生更多样化、具有高经济价值和能量密度的产品提供了新机会。级联式CO2RR催化系统尽管取得了一定的进展，但需要进一步提高上游CO2RR的CO2单程转化率和能量效率，进而提高整个系统的CO2转化率和能量效率。在此背景下，除了串联催化剂的优化设计之外，本文还综述了电化学装置结构和反应条件的优化以及可替代OER反应的热力学更有利阳极反应，以提高CO2RR的CO2单程转化率和能量效率。该文章“Designs of Tandem Catalysts and Cascade Catalytic Systems for CO2 Upgrading”在线发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI：10.1002/anie.202307283。第一作者为浙江大学化工学院博士生郑婉珍。
