乔世璋Angew综述：电催化合成精炼总结、挑战、前景

纳米技术

2021-02-20

和现代工业化过程中化石燃料的工业精炼过程相比，电催化合成能够用于各种可再生能源领域实现环境保护、可持续角度。电催化合成有望在去化石燃料化、脱碳、为化学工业提供新选择等实现发展。实现电化学精炼的关键之处在于，优化用于切断H、C、O、N原子之间的化学键的电催化剂，但是和研究较为深入的反应（ORR，水分解等）相比而言，材料设计的相关机理实现复杂步骤电催化反应还未得到深入理解和解决，有鉴于此，阿德莱德大学乔世璋等综述报道了对异相电催化剂、相关基础电催化反应进行简介和完整的展示，随后将此类发现用于设计材料、对反应中间体和反应过程进行设计和控制，为实现提高电催化领域的发展进行展望和总结。

本文要点：

（1）

和传统的化石能源精炼、化学工业相比，电催化技术具有广泛优势和多种用途，这是因为电催化方法的活性和产物选择性都较高，而且能够通过催化剂、电解液、界面、电势等进行调控，同时解决了化石燃料使用、CO₂释放、有毒试剂等问题。电催化分解水和CO₂还原已经发展了数十年，但是电催化反应、电催化剂、应用等角度仍需要进一步优化。

（2）

展示了通过目标化学键转化、关键中间体物种角度进行讨论，对C-N键偶联、选择性加氢、级联催化等电催化反应的溶液相异相催化反应进行设计。这种“自下而上”的设计方法能够促进电催化工业领域的发展，实现通过可再生能源进行电催化合成重要化学品。此外，建立了材料、反应机理之间从简单反应到复杂反应之间的区别和联系，从关键中间体吸附、活化-吸附能火山曲线、标度关系等角度讨论。

（3）

为了有效的将反应中间体物种、电催化反应过程进行控制，发展电子结构、反应位点具有特点的电催化剂（高熵材料、合金、纳米金属-基底复合结构）非常关键，引入革新性材料工程化自由度（人工酶、纳米限域、通过分子增强催化活性、氢键网络、界面工程化）等。对于复杂反应中间体物种、反应过程，除了材料之外的其他角度（过电势、催化剂性质、电子转移动力学、催化剂-电解液界面、电解液/溶剂效应、传质过程）都能够影响催化反应活性和反应选择性。通过目前发展的一些原位表征方法（原位ATR-IR、原位XRD、原位XPS、原位XAS、原位TEM等）有望显著改善对真实的反应位点、反应关键中间体物种进行表征。此外，目前出现的operando计算模型有助于深入理解异相电催化反应过程中除了反应活化能、热力学等问题之外的问题进行理解，比如过电势相关活化能、中间体覆盖度/pH值效应/吸附物-吸附物之间的作用。

（4）

作者认为，通过operando计算、operando表征技术结合，有望实现对关键性影响反应因素进行理解，对工作过程中的反应机理加深理解。实现系统性的对反应、催化剂进行综合性设计和理解。

（5）

通过对催化过程、电极、电解液、反应器等问题进行设计，一些研究工作在实现工业相关性能、经济性竞争性等角度上的制氢、制H₂O₂、CO、硝酸铵、环氧乙烯等实现了进展。作者认为本文综述有望实现提高电催化反应的高速发展，从含量丰富原料（CO₂、H₂O、N₂、生物质）出发合成燃料、化学品。

参考文献

Cheng Tang, Yao Zheng, Mietek Jaroniec, Shizhang Qiao*, Electrocatalytic Refinery for Sustainable Production of Fuels and Chemicals, Angew. Chem. Int. Ed. 2021

DOI: 10.1002/anie.202101522

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202101522