陈军Angew.: 电化学还原CO2为CO的进展和挑战

雨辰

2021-04-18

电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）为将可再生能源转化为以化学键形式的燃料和原料提供了一种有吸引力的方法。在不同的CO₂RR途径中，由于其在技术和经济上的高度可行性，将CO₂转化为一氧化碳（CO）被认为是化学工业中最有希望的候选反应之一。将催化剂和电解质的设计与对催化机理的理解相结合，将产生科学的见解，并推动这项技术走向工业应用。

有鉴于此，南开大学陈军院士等人，综述了近年来CO₂选择性转化为CO的研究进展和面临的挑战，对CO₂RR的多维催化剂和电解质工程进行了全面总结。此外，还介绍了近年来在大规模生产CO方面所做的努力，以促进电化学CO₂还原的工业化。最后，提出了CO₂RR应用于CO工业化的剩余技术挑战和未来发展方向。

本文要点

1）通过电化学方式将CO₂还原为有价值的化学物质和燃料，提供了一种通过化学键存储可再生能源来实现人类社会碳中和的新策略。由于其较高的技术和经济可行性，因此将CO₂转化为CO被认为是最接近电化学还原CO₂的商业化方法。综述了二氧化碳转化为一氧化碳的电化学研究进展以及电极和电解质设计的主要原理。通过介绍各种电催化剂的性能和电解质的系统优化，详细揭示了反应机理和设计原则。此外，考虑到CO₂RR在未来工业应用的可能性，对CO₂电解槽的发展进行了探讨。

2）但是，在以下几个方面仍然存在挑战。尽管将CO₂电化学还原为CO是一个简单的两电子转移过程，但该反应的实际机理仍未得到很好的理解。建立包括反应和工艺条件，电极形态和（亚）表面结构在内的理论模型对于深入了解实际反应路线至关重要。原位光谱表征可以提供有关催化剂的结构和表面状态以及在实际工作条件下表面吸附的中间体的化学性质和结合构型的详细信息。近年来，原位X射线衍射，表面增强红外吸收光谱，表面增强拉曼光谱和XAS的迅速发展为探索这些问题提供了有效的方法。

3）催化剂是催化反应的核心，在过去的几年中，人们进行了大量工作来探索用于将CO₂选择性还原为CO的电催化剂材料。增强固有反应性或活性位点的密度被认为是提高其电催化效率的有效策略。纳米结构工程使我们能够选择性地暴露活性晶体表面并引入缺陷，例如空位和晶界，从而产生更高的电催化活性。另外，异质原子掺杂还可以调节催化剂与中间体的表面结合能，这可以改善CO₂RR性能。当催化剂的尺寸从宏观尺寸减小到纳米尺寸时，它们的表面积将显着增加，从而在电化学反应中产生更多的活性位点。具有最高原子效率和低配位金属中心的单原子材料具有均匀的活性位点和几何结构，使SAC与反应物具有相似的空间和电子相互作用，这有利于提高CO₂RR的效率和选择性。对于分子催化剂，例如有机分子或金属络合物，与异质活性位点相邻可以提供额外的结合相互作用，从而改变CO₂RR中间体的结合能。这些通过打破比例关系导致增强的催化性能。关于工程设计高性能催化剂，应更加注意催化剂的稳定性。催化剂的降解，CO中毒，形态转变和电解质污染将导致催化剂失活。

参考文献：

Song Jin et al. Advances and Challenges for Electrochemical Reduction of CO₂ to CO: From Fundamental to Industrialization. Angew., 2021.

DOI: 10.1002/anie.202101818

https://doi.org/10.1002/anie.202101818