为适应社会发展和经济增长对能源需求的日益增长，煤、石油、天然气等化石能源相继被大量开采和利用，并成为现代社会发展和工业生产的基石。化石能源是不可再生资源，日益增长的能源消耗在导致化石资源枯竭的同时，也使得大气中CO2浓度不断攀升。 政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次报告指出，全球温室气体浓度呈加速上升趋势(图1-1)，这与人为CO2排放的迅猛增加有密切关系。 大量的CO2排放造成了一系列气候与环境问题。例如，全球平均气温与海水温度都有了明显的升高，表层海水温度在1971-2010年间每10年升高0.11oC，而平均气温则在1880-2012年间升高了0.85oC，且最近30年这一趋势在不断加速。 有证据表明，全球温度上升也导致两极冰川融化。十九世纪以来，全球平均海平面已上升了0.19米。 这些气候系统的失衡还会引起许多危害，如极端气候频发、陆地干旱与洪涝灾害异常发生、粮食减产、生态系统破坏、物种灭绝等。因此，控制大气中CO2浓度是人类目前亟需解决的问题之一。 1997年，140多个国家和地区代表签署了旨在限制发达国家CO2排放量的《京都议定书》。2009年，192个国家和地区的代表在哥本哈根通过了2012-2020年间全球减排协议。各个国家和地区根据各自的实际情况制定了一系列低碳措施以减少CO2排放。 如利用氢能、太阳能等低碳或无碳能源代替化石能源；提高能源利用率来减少化石能源消耗和降低CO2排放；发展碳捕获及封存(CCS)技术等。 以上方案虽然可一定程度上控制CO2排放，但也存在一些不足，如推广成本高、未从根本上解决问题等。因此，一些研究工作者将目光转向光催化技术。 亦即，利用半导体材料表面发生的光催化反应将CO2转化为CO、CH4、CH3OH等C1化合物。该技术如能规模化应用不但能促进CO2减排，而且得到的产物还可被用作能源物质，因此受到了人们越来越多的关注。 光催化技术肇始于1972年Fujishima等报道的在半导体光电极上光助分解水产氢研究。1979年，Inoue等首次报道了半导体在光照条件下能将CO2转化为HCHO和CH3OH。此后，光催化CO2能源化转化为“太阳燃料”得到了人们的广泛关注。 近些年来，人们开发出了各种新型光催化材料及其CO2还原体系，使光催化CO2能源化转化效率得到了极大的提高。 与其他CO2转换方式相比，光催化CO2能源化转化技术具有以下优势： (1)反应能量来自于取之不尽、用之不竭的太阳能； (2)反应条件较温和，通常在常温常压下进行； (3)初始反应物是廉价的CO2和水； (4)光催化CO2还原产物为有机物，可作为燃料缓解目前的能源危机； (5)不产生污染物，环境友好。尽管如此，作为一种理想的CO2减排技术，光催化CO2能源化转化的实际应用仍面临巨大的挑战。 半导体的能带结构由填满电子的价带(VB)和空的导带(CB)构成，二者间存在禁带。当能量大于禁带宽度(Eg)的光照射半导体时其VB上的电子可被激发跃迁至CB，所产生的光生电子(e-)和空穴(h+)分别向半导体表面迁移发生还原和氧化反应，完成光催化反应。 由于不同半导体有不同的组成与结构，因而也具有不同的能带结构。常见无机半导体的能带结构列于图1-2。由图可见，要完成光催化CO2还原反应，需要半导体CB位置比反应所需的电位更负，同时还需适中的Eg以便吸收足够的光子。 除需要合适的能带结构外，在实际光催化体系中还需解决光生电子和空穴(载流子)的复合问题。如图1-3所示，光照所产生的光生载流子除发生光催化还原反应①和氧化反应②之外，可能还会发生以下过程：转移到半导体表面的光生载流子发生表面复合③和光生载流子的体相复合④。 此外，还有反应中间活性产物的逆反应等。因此，理想的光催化剂还应具有：(1)光生载流子寿命长，不易发生复合；(2)催化剂表面存在足够多的反应位点；(3)反应中间产物能继续与电子反应生成后续产物等。