化石燃料的大量消耗导致了温室气体排放的急剧增加，其中二氧化碳（CO2的排放尤为突出。根据国际能源署（IEA）的数据，2023年全球与能源相关的CO2排放量达到了37.4吉吨的历史最高水平，比1990年增长了约49–50%。此外，化石燃料在能源相关CO2排放中的占比超过了89% [1]，[2]，[3]。这一现象不仅加剧了全球气候变化，也对人类社会的可持续发展构成了严重挑战。为应对这一危机，《巴黎协定》要求将全球变暖控制在2°C以内，并努力实现1.5°C的目标。同时，确保在2050年前实现净零排放至关重要。面对这一双重挑战，科学家们一直在探索将二氧化碳转化为有价值化学品和能源的方法，旨在实现碳循环利用并减少环境污染 [4]，[5]，[6]。
最近，CO2氢化生成C1产物的研究取得了显著进展，催化剂开发成为研究的重点 [7]。催化活性通常由贵金属（如Ru、Pd、Rh）[8]，[9] 或更丰富的非贵金属（如Fe、Co、Ni）[10]，[11]，[12]，[13] 提供。贵金属催化剂通过其d电子轨道与反应物分子之间的相互作用激活反应物（CO2和H2），其中H2发生解离吸附形成活性氢物种。非贵金属催化剂主要依靠金属氢化物的形成来促进反应。许多研究表明，金属活性位点与载体之间的相互作用（如强金属-载体相互作用（SMSI）效应）可以显著改变催化剂的电子结构、表面酸碱性以及反应中间体的吸附能，从而影响催化活性和产物选择性。
在CO2氢化催化剂载体方面，传统的载体如氧化铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）和氧化锆（ZrO2）具有制备简单和原料易得的优点。然而，它们也存在一些缺点，如热导率低，可能导致热量传递困难、热点形成并影响催化剂性能；此外，它们的化学稳定性和机械强度有限，可能在反应过程中造成损伤或与活性组分发生不利相互作用；而且，它们的导电性可能不佳，影响反应动力学。
相比之下，如图1所示，碳材料如碳纳米管（CNTs）[14]，[15]，[16]、碳纳米纤维（CNFs）[17]，[18]，[19]、石墨烯 [20]，[21]，[22] 和多孔碳 [23]，[24]，[25] 由于具有独特的物理化学性质，在CO2氢化中表现出显著优势。这些碳材料通常具有优异的导电性和热导率，有助于改善催化剂的电子转移和热量扩散；它们还具有较高的机械强度和化学稳定性，能够在恶劣的反应条件下保持性能；碳材料的表面官能团可以改性以调节其电子性质，优化反应选择性；此外，碳材料的高比表面积和多孔性为催化剂提供了更多的活性位点，有助于提高CO2的转化率和目标产物的选择性。总体而言，碳材料可以有效提升催化效率和反应选择性，使其成为CO2氢化催化剂的理想载体。
基于近年来碳基材料在CO2氢化生成C1产物中的应用和研究进展，本文介绍了碳基催化剂的设计、制备和反应机理，包括对催化剂活性位点的精确控制、碳材料与活性金属组分之间的相互作用，以及通过修饰促进剂和载体来优化反应选择性的策略。此外，本文还讨论了不同类型碳材料（如CNTs、CNFs、石墨烯、活性炭以及来自生物质和其他多孔碳材料的碳材料）作为催化剂载体的性能和特点。本文展望了CO2氢化生成C1产物的未来研究方向，特别是在碳材料载体的设计和应用方面。该综述可以为实现更高效、更环保的CO2转化技术提供科学基础和技术支持。
