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随着煤炭、石油等化石能源的大规模使用，人类社会生产力迅速发展。然而，这也导致了温室气体排放量急速上升，全球变暖加剧，极端气候频发。如何控制碳排放总量成为国际社会普遍关注的话题。2020年9月，习近平总书记在联合国大会上承诺：“中国将力争在2030年前，二氧化碳排放量达到峰值，2060年前实现碳中和。”这不仅彰显了中国的大国担当，也将助力全球气候目标的达成。
碳中和是指二氧化碳、甲烷等温室气体的净排放量为零。由于温室气体中二氧化碳占比最高，故二氧化碳减排成为碳中和目标达成的关键。然而，中国是目前世界上二氧化碳排放量最多的国家，要在短短40年内实现净碳足迹为零，必须牢牢依靠科技创新。要实现碳中和，宏观可分为“减排”和“增汇”两大途径。“减排”是指通过减少化石能源的使用、提高清洁能源的消费比，从源头降低排入大气的二氧化碳量。而“增汇”则是对已存在于大气中的二氧化碳，通过捕集、利用、封存等方式，将其转化为高附加值化学品，或以其他碳化物的形式存入植物、土壤、海洋内部。化学作为一门研究物质、能量之间相互关联与转化的科学，有望通过高性能催化剂的开发、反应过程和能量转化路径的设计等途径，在二氧化碳“减排”和“增汇”的具体实现上发挥重要作用。
本专题以“化学助力碳中和的实现”为主题，收录了7篇相关领域的最新发现、综述和观点论文。
Cover image credit: 
Xiaochun Gao (高晓春) & Xiaoling Yu (于晓玲)
Special Topic: Chemistry Boosts Carbon Neutrality
[点击下方链接可获取全文]
Chemistry boosts carbon neutrality
专题前言：化学助力碳中和的实现
Shanshan Wang & Jin Zhang
作者：王珊珊（国防科技大学），张锦（北京大学）
https://doi.org/10.1360/nso/20230012
“减排”部分探讨了面向太阳能制氢、电能制氢等清洁能源开发的新型催化剂研究，并提出了以氨为能源载体，实现能源全面脱碳的创新观点。悉尼科技大学汪国秀、中科院过程工程研究所王丹等人提出了一种缺陷和界面调控的宽光谱响应催化剂设计思路，实现了催化剂对可见光吸收波长的拓宽和太阳能制氢速率近20倍的提升。新加坡国立大学颜宁等人开发了一种杂多酸负载Rh单原子催化剂，可在保持对产物立体选择性不变的情况下，提升烯烃醛化这一热催化反应的活性，减少化石能源的用量。华盛顿州立大学的林跃和等人综述了碳负载的非贵金属单原子催化剂在电催化领域的前沿进展，讨论了这类催化剂在诸如二氧化碳还原、制氢，制氧和氧还原等电催化反应中的应用与挑战。最后，福州大学江莉龙等人提出了通过人工氮循环，实现能源全面脱碳的创新思路和可能挑战。该循环利用大气中的氮气和电解水产生的氢气，在可再生能源的帮助下合成氨，并在氨转化回水和氮气的过程中释放可利用的能量。
1. Defect and interface control on graphitic carbon nitrides/upconversion nanocrystals for enhanced solar hydrogen production（封面文章）
▷ g-C3N4/上转换纳米晶的界面调控助力太阳光制氢
Xiaochun Gao, Nailiang Yang, Jin Feng, Jiayan Liao, Shaoqi Hou, Xiaoguang Ma, Dawei Su, Xingxing Yu, Ziqing Yang, Javad Safaei, Dan Wang & Guoxiu Wang
通讯作者：汪国秀、苏大为（悉尼科技大学），王丹（中国科学院过程工程研究所）
https://doi.org/10.1360/nso/20220037
2. Hydroformylation over polyoxometalates supported single-atom Rh catalysts
▷ 单原子催化剂设计新思路：自组装沉淀法制备可变孔径杂多酸负载单原子铑催化剂
Shixiang Feng, Qi Yu, Xinbin Ma, Xiaohu Yu & Ning Yan
通讯作者：于琦（陕西理工大学），颜宁（天津大学-新加坡国立大学福州联合学院）
https://doi.org/10.1360/nso/20220064
3. Recent advances in carbon-supported non-precious metal single-atom catalysts for energy conversion electrocatalysis
▷ 用于能量转换电催化的碳基非贵金属单原子催化剂的最新进展
Li-Xia Liu, Yangyang Ding, Linan Zhu, Jin-Cheng Li, Huitong Du, Xiang Li, Zhaoyuan Lyu, Dan Du, Fuqiang Liu, Yuanyuan Wang, Wenlei Zhu & Yuehe Lin
通讯作者：林跃和（美国华盛顿州立大学），朱文磊、王元元（南京大学）
https://doi.org/10.1360/nso/20220059
4. Challenges and prospects in artificial nitrogen cycle for energy decarbonization
▷ 人工氮循环用于能源脱碳的挑战与展望
Huihuang Fang, Yanliang Zhou, Xiaobo Peng, Yu Luo, Xiuyun Wang, Shijing Liang & Lilong Jiang
通讯作者：梁诗景、江莉龙（福州大学）
https://doi.org/10.1360/nso/20220040
在“增汇”部分，报道了利用新型催化剂提高二氧化碳转化成有用化学品效率的最新发现和综述。中国科学技术大学的高敏锐等人合成了富含晶界的Cu基钙钛矿氧化物，通过晶界对CO的增强吸附，显著提高二氧化碳电催化还原反应中多碳化合物（C2+）的转化率。四川大学的余达刚等人总结了二氧化碳参与的双羧基化反应的进展和挑战，并在学术研究和产业应用双重背景下，对二氧化碳参与大宗化工原料双羧基化研究的未来要点进行展望。中国科学技术大学的谢毅等人综述了以二维材料为光催化剂，将大气中二氧化碳在内的多种惰性小分子转化为化学品的进展。作者提出了功能定制化的理念，通过对二维材料厚度、空位、掺杂等进行调控，优化其电子结构、活性位点、载流子分离和迁移能力，提高催化活性。
5. CO2-assisted formation of grain boundaries for efficient CO–CO coupling on a derived Cu catalyst
▷ CO2辅助生成富含晶界的Cu催化剂实现高效CO-CO偶联
Zhuang-Zhuang Niu, Li-Ping Chi, Zhi-Zheng Wu, Peng-Peng Yang, Ming-Hui Fan & Min-Rui Gao
通讯作者：高敏锐（中国科学技术大学）
https://doi.org/10.1360/nso/20220044
6. Progress and challenges in dicarboxylation with CO2
▷ 变废为宝：CO2参与的双羧基化反应合成高附加值二元羧酸
Chuan-Kun Ran, Han-Zhi Xiao, Li-Li Liao, Tao Ju, Wei Zhang & Da-Gang Yu
通讯作者：余达刚（四川大学），廖黎丽（重庆大学）
https://doi.org/10.1360/nso/20220024
7. Functional customization of two-dimensional materials for photocatalytic activation and conversion of inert small molecules in the air
二维材料的功能定制化：用于空气中惰性小分子的光催化活化和转化
Ming Cheng, Lan Yang, Huanhuan Zhang, Jingjing Yang, Chong Xiao & Yi Xie
通讯作者：谢毅、肖翀（中国科学技术大学）
https://doi.org/10.1360/nso/20220028
综上，本专题从二氧化碳的“减排”和“增汇”两大途径出发，探讨了化学如何助力碳中和目标的实现。在“减排”上，通过对光催化、电催化、热催化反应中多种单原子或复合结构催化剂的设计，可有效提高清洁能源利用率，降低化石能源用量。在“增汇”上，钙钛矿氧化物衍生物、二维材料等新型催化剂的研发，提升了将二氧化碳转化为高附加值化物品的电化学还原反应和二羧化反应的转化效率。我们衷心感谢所有为本专题提供高质量论文的研究者们，参与邀稿的化学领域副主编庄林教授、游书力研究员、陈春英研究员、谢素原教授和李隽教授，以及《国家科学进展》的高媛编辑等。希望本专题能从化学的视角，为我国“碳中和”目标的达成提供科学启发。
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