郑耿锋/韩庆Small Structures : 电化学甲烷转化

雨辰

2021-06-28

甲烷是地球上储量丰富的C1资源，是一种温室气体，也是化学工业的重要组成部分。甲烷转化为燃料和有价值的化学物质的电化学转化为工业甲烷重整中的碳中和和减少二氧化碳排放带来了诱人的前景。为了克服催化剂降解和能源成本问题，在不影响产物选择性的前提下，有效激活甲烷中的C - H键是至关重要的。

有鉴于此，复旦大学郑耿锋教授和北京理工大学韩庆教授等人，综述了近年来电催化甲烷转化的催化剂结构和体系设计策略的研究进展。电催化、热催化和光催化方法的结合可以实现互补和增强的活性，以及对反应条件和机制的新见解。

本文要点

1）热、电、光三种策略的结合为C - H键的活化以及中间体的稳定性控制提供了新的见解。第一，低温甲烷电转化。为了避免析氧的竞争反应，电解质需要更大的稳定窗口。尽管已经报道了高 TOF、产率和稳定性，但在从电解质中分离产物方面存在重大挑战。非贵金属（Co、Ni、V）氧化物和 RuO₂ 正在成为水基电解质中的电催化剂。需要进一步探索更合适的能打破C - H键且与水相容的氧化还原对。此外，虽然可以生成具有多个碳原子的醇和酸，但在实际应用中收率普遍偏低，产物过氧化现象依然严重。

2）第二，用于高温CH₄的电转换。由于在较高温度下更容易裂解 C−H 键，电流密度可以达到 200 - 400 mA·cm^-2。以较低腐蚀性转化率进行电解。同时利用阳极和阴极反应将 CH₄ 和 CO₂ 转化为合成气和碳氢化合物是应用 Ni、Pt、Cu、Fe 及其合金作为催化剂的有吸引力的策略。同时，催化剂的结焦和失活仍然是影响电池寿命的主要问题。目前迫切需要无金属或具有金属/氧化物界面的高性能抗结焦催化剂。

3）第三，对于光电化学甲烷转化，需要大力开发和采用更小带隙材料和分层结构来提高光吸收，以及掺入助催化剂(如Au、Ag、Pt和Pd) 以降低能垒。此外，合理设计和调节电解质组成以增加选择性也是值得探索的。

参考文献：

Qihao Wang et al. Electrochemical Methane Conversion. Small Structures, 2021.

DOI: 10.1002/sstr.202100037

https://doi.org/10.1002/sstr.202100037