二氧化碳（CO₂）还原是一种重要的化学反应，它涉及到将CO₂转化为有价值的化合物或能源。其中甲酸（HCOOH）是最理想的目标之一，因其具有单位体积能量高、便于运输与储存的优势。然而，CO₂→HCOOH的过程复杂，根据催化剂的种类，该反应涉及多个中间体和副产物，产物不唯一。另外，传统CO₂的还原过程必须要求其与催化剂接触。

为了解决上述问题，我们提出使用水合包合物（clathrate hydrate）微反应器（nanoreactor）是一种解决方案。水合包合物是一种独特的多孔框架冰晶材料，其中三维水笼互相堆叠，每一个纳米水笼都可以捕获小客体分子，例如CO₂、CH₄等（图1）。

通过基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟（AIMD），我们发现纳米水笼可以增强CO₂分子得电子的能力，从而使电子可以更快定域在CO₂上，形成CO₂^-。之后，CO₂^-的O端会被纳米水笼氢键（H-bond）稳定住，形成[CO₂^-···H-OHcage]。下一步第二个电子会以很低的势垒（~3 kcal/mol）转移到[CO₂-···H-OHcage]，形成[CO₂^2-···H-OHcage]中间态，进而继续通过电子转移引起的双质子转移机制，形成最终产物HCOOH（图2）。可以看出，在CO₂→HCOOH过程中，水笼起到了限域作用、H-bond催化、以及提供质子（质子泵）等一系列作用，而且产物单一、无需额外催化剂。因此，水合包合物微反应器是未来解决温室效应的潜在平台。