反应条件对铜催化CO2电还原的影响

工业规模的化石能源消耗导致大气中二氧化碳含量不断增加,CO₂转化利用成为人们日益关注的热点问题. 金属铜因其成本低廉、储量丰富,并且具有独特的CO₂亲和力能够生成多碳化合物,是目前CO₂电还原中研究最为广泛深入的电极材料. 由于阴、阳离子的特征吸附对Cu电极性能有显著影响,并且不同反应体系中对Cu电极上CO₂吸附、活化影响也有所不同,因此导致金属Cu电极上报道的电催化活性、产物种类与选择性等都非常宽泛. 基于此,有必要系统地研究各种反应条件对金属Cu电极电催化CO₂还原性能的影响. 作者选择了平均粒径为600 nm的商品化金属Cu颗粒作为电还原CO₂的催化剂,研究了不同反应条件包括各种常用电解质溶液、KHCO₃的浓度以及H型电解池和流动池. 实验结果表明,浓度为0.5 mol·L ^-1的KHCO₃作为电解质溶液具有较好催化活性和较高的产物分电流密度,流动池可以进一步提高主要产物甲酸盐和CO的分电流密度. 本研究工作从反应条件的角度对CO₂还原的电催化转化进行了系统研究,有助于理解电解液和反应器等因素对CO₂电还原反应过程的影响规律.     

电解液调控CO2电催化还原性能微观机制的研究进展

二氧化碳(CO₂)排放导致了严重的温室效应, 但作为重要的碳资源, CO₂电催化还原合成化学品因反应条件温和、 反应产物可调及可有效利用分布式电能等优势而备受关注. 在该反应体系中, 电解液作为反应介质, 可提供质子和反应微环境, 影响分子/离子传输. 因此, 构建新型电解液体系对于提高CO₂电催化还原产物的选择性和电流密度起到重要作用. 本文综合评述了CO₂电催化还原过程中电解液的作用和研究现状, 重点总结了水系电解液中阴阳离子(碱金属阳离子、 卤素离子等)和离子液体电解液对CO₂溶解度、 界面双电层结构(pH值、 电场效应)和中间体稳定性等的影响机制, 揭示了其调控对反应产物的选择性、 电流密度等的影响规律. 最后, 对电解液调控CO₂电催化还原性能的研究进行了展望.     

铜基电催化剂还原CO2

温室气体CO₂的大量排放给全球气候造成潜在威胁,电化学还原CO₂为有用的化工产品作为一种人为的碳循环的方式,拓展了新的利用CO₂的可能性,并且是一种很有前景的显著改善环境、促进可持续发展的方法。然而,在转化CO₂为有价值的产品过程中,最大的挑战是抑制析氢副反应的同时达不到高效率、高选择性。铜因其在电催化还原CO₂过程中优异的催化性能而得到广泛关注。本文重点介绍了近年来电催化还原CO₂的发展以及电化学转化CO₂的优缺点,介绍了CO₂RR的热力学与动力学研究并概述了Cu电极、Cu MOFs材料电极以及通过氧化、合金化、纳米化和表面修饰等方法修饰的铜电极的进展,但是电催化还原CO₂的反应机理尚不太确定。最后,讨论了未来铜基电极催化剂高效率地选择性转化CO₂会面临的挑战和可能研究的方向。     

p区金属基电催化还原二氧化碳制甲酸催化剂研究进展

以清洁可再生电能为驱动力,常温常压下将二氧化碳(CO₂)选择性还原转化生成高附加值化学品或燃料,是解决目前能源和环境问题、实现CO₂资源化利用、促进碳循环回归平衡的有效手段之一。由于生成不同产物的还原电位和反应历程不同,单位产物的生产成本各有差异。最近研究表明,HCOOH是所有电化学CO₂还原产物中最具有经济效益和实用价值的产物之一。本文从电催化还原CO₂制HCOOH生成机理出发,综述了p区金属(如Sn、Bi、In)基催化剂在电催化还原CO₂制HCOOH领域取得的重要研究进展,其中以典型催化剂为例分析了CO₂还原生成HCOOH活性提高策略如氧化物还原转化、形貌调控、掺杂和合金化等,重点探讨了活性位点种类、数量以及催化剂电子结构在关键中间体*CO₂^.-、*OCHO的形成和吸附中的作用,最后总结了目前该领域面临的挑战以及未来发展方向。     

具有丰富晶界的铜催化剂在气-液平衡扩散电极上高效电还原CO2制C2H4(英文)

电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)可以将二氧化碳转化为具有高经济价值的碳氢化合物,被认为是实现碳中和并缓解能源危机的一种有潜力的技术.铜(Cu)作为一种最有应用前景的非贵金属催化剂之一,表现出较高的催化CO₂RR转化为多碳产物(C₂₊)的活性.然而,电催化CO₂还原成C₂₊产物涉及一个动力学过程缓慢的C-C偶联反应,这导致C₂₊产物的选择性较低,电流密度低,阻碍了其在工业电解槽中的实际应用.同时,CO₂RR产物的选择性不仅取决于热力学速率决定步骤,还取决于传质控制动力学.CO₂RR发生在固-气-液三相反应界面,气-液的平衡扩散可以有效抑制析氢竞争反应,进而提高CO₂RR的反应效率.本文设计合成了一种富晶界的Cu纳米带催化剂,并构建了气-液平衡扩散的电极结构,用于高效电催化二氧化碳还原制备乙烯(C₂H₄).以一种碱式碳酸铜(Cu₂     

CO2电催化转化迈向大规模化的挑战与展望(英文)

全球CO₂排放量持续增长,冲击全球能源格局.CO₂电催化转化为高值化学品与液体燃料是实现绿色化工和降低碳排放的有效途径.针对催化剂和电解器的实验室研究为CO₂大规模电解奠定了基础.然而具有实用价值的全电解池CO₂电解,在工业级电流密度下的CO₂转化率、反应活性与稳定性仍较低.电极面积和数量的放大研究发现,由于电场、流场等的复杂多场耦合引起的放大效应,使得反应寿命、能耗等反应性能下降.本文综述了面向CO₂规模化电解的关键多尺度研究内容,聚焦实现CO₂高效转化的重要挑战和前沿研究进展,并展望了助力实现CO₂商业化应用的发展方向.基于聚合物电解质膜并以水作为质子源的低温CO₂电解路线是具有工业化应用前景的反应路线之一,能用于制备CO、甲酸、乙烯、乙醇等C1-C3化合物,是当前研究重点.膜电极(MEA)电解器容易在电极面积和数量上扩展,是有望实现大规模部署的CO₂电解装置.目前...     

膜电极构型CO2还原电解单池的稳定性研究

电化学还原CO₂可实现CO₂的资源化转化,是缓解因其过度排放所导致诸多环境问题的关键技术. 本文提出了一种膜电极（membrane electrode assembly,MEA）构型CO₂还原电解单池的结构设计,可同步实现气体扩散阴极两侧CO₂的供给与电解质液层的更新. 基于该MEA构型电解池,实验考察了电解质液层中KHCO₃浓度和更新与否对氮掺杂石墨烯锚定的Ni电极表面CO₂电还原制备CO的反应活性、产物分布与稳定性的影响. 结果表明,若电流密度低于5 mA·cm^-2,KHCO₃浓度显著影响电解电势而非产物分布. CO₂还原电解单池在稳定运行中存在着“可逆”与“不可逆”两种衰减模式. 其中,阴极/电解质界面处催化剂的流失是 “不可逆”衰减形成的原因;而电解质液层中KHCO₃溶液的流失导致了MEA构型CO₂还原单池的“可逆”衰减,周期性更新KHCO₃电解质是降低其“可逆”衰减的有效方法.     

Pd/C催化剂用于CO2电化学还原生成CO:Pd载量的影响

CO₂电化学还原反应可以将CO₂转化为燃料并同时实现再生能源的有效存储. 目前纳米结构的多相催化剂已经广泛应用于此反应,其中碳负载钯纳米粒子（Pd/C）表现出优异的CO₂电化学还原性能. 本工作研究了钯载量对于Pd/C催化剂结构以及其催化CO₂还原生成CO反应活性和选择性的影响. 不同载量的Pd/C催化剂通过液相还原方法制备,钯纳米粒子均匀地分散在碳载体上,载量并没有明显改变对纳米粒子的粒径. 在优选的电解质（0.1 mol·L^-1 KHCO₃）中,CO法拉第效率与载量呈现火山型曲线关系,-0.89 V时载量为20wt%的Pd/C催化剂达到最高的CO法拉第效率(91.2%). 生成CO的几何电流密度随着钯载量的增加而增加,但CO转换频率具有相反的趋势,载量为2.5wt%的Pd/C催化剂具有最高的转换频率. 这种载量对CO₂电化学还原反应活性和选择性的影响主要由活性位的数量、反应动力学、中间物种的稳定性以及反应物、中间物种和产物的传质过程等共同决定.     

电催化二氧化碳还原的铜基催化剂设计与反应机理研究进展

利用电催化技术和阴极区的还原反应将CO₂转化为高能化学品是解决温室效应和实现人工碳循环的有效途径。与其它金属催化剂相比,Cu基催化剂因其能生成多碳产物而备受关注,但其缺点是对产物的选择性差。因此,近年来,研究者致力于探究Cu基催化剂在反应过程中的C-C偶联机制及影响因素,并对Cu基催化剂进行针对性的结构设计和实验合成。本文总结了Cu基电极上电催化CO₂还原反应(CO₂RR)的基本原理,分析了影响电催化CO₂RR的关键因素(电催化反应器、pH值、压力和温度、CO₂的流速与浓度),综述了针对Cu基催化剂改性的相关策略(合金化、纳米结构改性、杂原子掺杂、亲/疏水性、单原子催化剂)的研究进展,最后,展望了电催化CO₂RR的Cu基催化剂领域的机遇与挑战,以期为今后开展相关研究提供有益参考。     

CO2电还原用氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂

温和条件下将CO₂电催化还原(CO₂RR)为高能量密度燃料和高附加值碳产品是降低大气中CO₂浓度、储存间歇性可再生能源、实现碳中和的重要途径之一。设计和开发对电催化CO₂RR兼具高活性、高选择性、高稳定性、且对析氢反应(HER)具有显著抑制作用的高性能廉价催化剂是CO₂RR研究的关键。单原子催化剂(SACs)由于其独特的电子结构和几何结构对许多重要化学反应(如CO氧化反应、加氢反应、析氧反应、氧还原反应、析氢反应等)显示出优异的催化活性而广受关注。近年来,N掺杂多孔碳载体过渡金属单原子催化材料(M-N-C)显示出对电化学二氧化碳还原的广阔前景、并有望成为在水相电解质中还原CO₂的贵金属(Au,Ag)催化剂的替代品。本文从单原子催化材料M-N-C的制备、影响电催化性能的因素及MN_x活性基团三个方向介绍了单原子催化剂M-N-C电催化CO₂RR的研究现状和进展。最后,就目前该方向研究中尚待解决的问题进行了总结、并对下一步的研究进行了展望。     

CO2和N2电还原中缺陷及界面工程的最新进展

实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效策略,对实现碳中和具有重要意义。其中,电催化CO₂还原反应(CO₂RR)和N₂还原反应(N₂RR)是一种有前途的小分子转化策略。然而,CO₂和N₂均为线性分子,其中C＝O和N≡N键的高解离能导致了它们高的化学惰性。此外,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间的巨大能量间隙使它们具有高的化学稳定性;且CO₂和N₂的低质子亲和力使它们难以被直接质子化。另一方面,由于CO₂RR和N₂RR与析氢反应(HER)具有相近的氧化还原电位,造成其与HER之间存在竞争性关系,这也是致使催化剂在CO₂RR和N₂RR转化效率低的重要影响因素。因此,CO₂RR和N₂RR仍然面临着过电位高及法拉第效率低等问题。为了克服这些瓶颈,人们为提升CO₂RR和N₂RR电催化剂性能做出了很多努力。众所周知,电催化过程发生在催化剂表面,主要涉及质量传递和电子转移等过程。由此可见,催化剂的性能与其质量和电子传输能力密切相关,而调控催化剂表面结构可以优化活性点的质量和电子转移行为。电催化剂的缺陷和界面工程可通过表面原子工程来实现电子结构调控,对于提高气体吸附能力、抑制HER、富集气体及稳定中间产物等具有重要意义。到目前为止,所报道的各种缺陷和复合电催化剂在提高CO₂RR和N₂RR催化性能等方面均表现出巨大的潜力。在此,我们综述了CO₂RR和N₂RR中催化剂缺陷工程及界面工程的最新进展;首先讨论了四种不同的缺陷(空位、高指数晶面、晶格应变和晶格无序)对CO₂RR和N₂RR性能的影响;然后,总结了界面工程在聚合物-无机复合材料催化剂中的重要作用,并给出了典型实例;最后,展望了原子级电催化剂工程的发展前景,提出了开发和设计高效CO₂RR和N₂RR电催化剂的未来发展方向。     

用于二氧化碳电催化还原的电解器研究进展

The electrocatalytic CO₂ reduction reaction (CO₂RR) driven by renewable energy is an efficient approach to achieve the conversion and utilization of CO₂. In this context, CO₂RR has become an emerging research focus in the field of electrocatalysis over the past decade. While a large number of nanostructured catalysts have been developed to accelerate CO₂RR, the tradeoff between activity and selectivity usually renders the overall electrocatalytic performance very poor. Beyond catalyst design, rationally designing electrolyzers is also of substantial importance for improving the CO₂RR performance and achieving its scale-up for practical applications. To a large extent, the electrolyzer configuration determines the local reaction environment near an electrode by affecting the process conditions, thereby resulting in remarkably different electrocatalytic performances. To be techno-economically viable, the performance of CO₂ electrolyzers is expected to be at least comparable to that of the current state-of-the-art proton exchange membrane (PEM) water electrolyzers, with regard to their activity, selectivity, and stability. Researchers have made great progress in the development of CO₂ electrolyzers over the past few years, but they are also facing many issues and challenges. This review aims to provide an in-depth analysis of the research progress and status of current CO₂ electrolyzers including H-cell, flow-cell, and membrane electrode assembly cell (MEA-cell) electrolyzers. Herein, operation at industrial current densities (> 200 mA∙cm⁻²) is set as a basis when these electrolyzers are discussed and compared in terms of the four main figures of merit (current density, Faradic efficiency, energy efficiency and stability) that describe the CO₂RR performance of an electrolyzer. The advantages and drawbacks of each electrolyzer are discussed and highlighted with emphasis on the key achievements reported to date. Compared to conventional H-cell electrolyzers that work well in mechanistic studies, the newly developed electrolyzers using gas diffusion electrodes, both flow-cell and MEA-cell electrolyzers, are able to break the limitation of CO₂ solubility in water and acquire industrial current densities. Although flow-cell electrolyzers have achieved current densities exceeding 1 A∙cm⁻², they suffer from low energy efficiencies because of the significant iR drop and poor stability owing to the use of alkaline electrolytes. These issues can be overcome in the case of zero-gap MEA-cell electrolyzers with ion exchange membranes being as solid electrolytes. The anion exchange membrane (AEM)-based CO₂ electrolyzers are at the center of the current research, as they demonstrate promising activity and selectivity toward specific CO₂RR products and exhibit excellent stability for over thousands of hours in few cases. Meanwhile, the crossover of CO₂ and liquid products from the cathode to the anode through the membrane tends to lower the utilization efficiency of the CO₂ supplied to the AEM electrolyzers. MEA-cell electrolyzers using cation exchange membranes and bipolar membranes have also been explored; however, neither of them have shown satisfactory CO₂RR performance. The development of new polymer electrolyte membranes and ionomers would help address these problems. While issues and challenges still exist, MEA-cell electrolyzers hold the greatest promise for practical applications. As concluding remarks, research strategies and opportunities for the future have been proposed to accelerate the development of CO₂RR technology for practical applications and to deepen the mechanistic understanding behind improved performance. This review provides new insights into rational electrolyzer design and guidelines for researchers in this field.     

一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展

电催化二氧化碳还原反应(E-CO₂RR)可在温和条件下将CO₂转化成高附加值燃料或化学品,近年来受到广泛关注,其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程,构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而,传统涂敷电极制备时,需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面,此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限,致使催化剂活性位利用率下降,同时在反应过程中电极表面容易粉化,造成稳定性下降,难以重复利用。因此,如何调控电极反应界面,提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应,不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力,还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等),从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO₂RR的最新进展,分析了结构和表界面调控对E-CO₂RR性能的影响规律,并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO₂RR电极的发展进行了评述与展望。     

调控单位点M-N-C电催化剂的电子结构提升二氧化碳还原性能

全球的动力来源主要依靠化石能源,然而无节制地开采引起了一系列的能源危机和环境问题,例如,能源枯竭、气温逐年升高、气候恶化和海洋酸化等,这已经威胁了人类的可持续发展,因此寻找可再生能源和减缓二氧化碳的排放成为目前的关键问题,反应条件相对温和的电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)可将CO₂转化为具有工业价值的产品,例如C1、C2和C2+,这是解决“碳中和”的一种有效措施。电催化CO₂RR是一个复杂的多个电子/质子转移过程,反应机理相对复杂,涉及很多反应中间体,影响产物的选择性,CO₂RR的大规模应用需要开发低成本和高效的电催化剂。具有大比表面积、100%的原子利用率、不饱和配位、相对均匀的活性位点的原子分散的金属和氮共掺杂碳(M-N-C)材料是一种很有前途的催化剂。M-N-C材料具有可调变性,通过调节中心金属离子或中心金属离子的配位环境,中心金属离子的电子性质和原子结构将会发生变化,这为设计具有高效催化CO₂性能的催化剂提供了新的途径。因此,探讨在原子水平上调控M-N-C材料的电子...     

铜基串联催化剂电催化CO2还原的研究进展

Through the combustion of fossil fuels and other human activities, large amounts of CO₂ gas have been emitted into the atmosphere, causing many environmental problems, such as the greenhouse effect and global warming. Thus, developing and utilizing renewable clean energy is crucial to reduce CO₂ emission and achieve carbon neutrality. The electrochemical CO₂ reduction reaction (CO₂RR) has been considered as an effective approach to obtain high value-added chemicals and fuels, which can store intermittent renewable energy and achieve the artificial carbon cycle. In addition, due to its multiple advantages, such as mild reaction conditions, tunable products, and simple implementation, electrochemical CO₂RR has attracted extensive attention. Electrochemical CO₂RR involves multiple electron–proton transfer steps to obtain multitudinous products, such as C₁ products (CO, HCOOH, CH₄, etc.) and C₂ products (C₂H₄, C₂H₅OH, etc.). The intermediates, among which ^*CO is usually identified as the key intermediate, and reaction pathways of different products intersect, resulting in an extremely complex reaction mechanism. Currently, copper has been widely proven to be the only metal catalyst that can efficiently reduce CO₂ to hydrocarbons and oxygenates due to its suitable adsorption energy for ^*CO. However, the low product selectivity, poor stability, and high overpotential of pure Cu hinder its use for the production of industrial-grade multi-carbon products. Tandem catalysts with multiple types of active sites can sequentially reduce CO₂ molecules into desired products. When loaded onto a co-catalyst that can efficiently convert CO₂ to ^*CO (such as Au and Ag), Cu acts as an electron donor owing to its high electrochemical potential. ^*CO species generated from the substrate can spillover onto the surface of electron-poor Cu due to the stronger adsorption and be further reduced to C₂₊ products. The use of Cu-based tandem catalysts for electrochemical CO₂RR is a promising strategy for improving the performance of CO₂RR and thus, has become a research hotspot in recent years. In this review, we first introduce the reaction routes and tandem mechanisms of electrochemical CO₂RR. Then, we systematically summarize the recent research progress of Cu-based tandem catalysts for electrochemical CO₂RR, including Cu-based metallic materials (alloys, heterojunction, and core-shell structures) as well as Cu-based framework materials, carbon materials, and polymer-modified materials. Importantly, the preparation methods of various Cu-based tandem catalysts and their structure–activity relationship in CO₂RR are discussed and analyzed in detail. Finally, the challenges and opportunities of the rational design and controllable synthesis of advanced tandem catalysts for electrochemical CO₂RR are proposed.     

石墨烯基二氧化碳电化学还原催化剂的研究进展

利用电催化技术将CO₂转化为小分子燃料或高值化学品是实现原子经济、构建人工碳循环的绿色能源技术之一。电催化还原CO₂ (ECR)的反应条件温和、产物多样(C₁、C₂和C₂₊),有极大的发展潜力。然而,ECR技术面临一些需要解决的挑战性问题,包括电极过电势高、C₂及C₂₊产物选择性低、伴随析氢反应等。解决这些问题的关键在于创制低成本、高性能电催化剂。近年来,石墨烯基电催化剂的研究成为ECR领域的热点之一,原因包括：1)在电化学环境中稳定性好;2)表面原子、电子结构可调,进而实现材料催化活性的调控;3)维度可调,易暴露较大的比表面积和形成层次孔结构;4)耦合石墨烯的高导电性与特定材料的高活性,可协同提升ECR催化性能。本文评述了石墨烯基材料在ECR中的研究进展,详述了石墨烯基电催化剂的构筑方法,探讨并梳理了石墨烯的点/线缺陷、表面官能团、掺杂原子构型、金属单原子种类、材料表界面性质等与ECR性能之间的本征构效关系。最后展望了石墨烯基催化剂在ECR领域中的挑战和未来发展。     

铜基串联催化剂电催化CO2还原的研究进展

化石燃料的燃烧和其他人类活动排放了大量的CO₂气体,引发了诸多环境问题。电催化CO₂还原反应(CO₂RR)可以储存间歇可再生能源,实现人为闭合碳循环,被认为是获得高附加值化学品和燃料的有效途径。电催化CO₂RR涉及多个电子-质子转移步骤,其中^*CO通常被认为是关键中间体。铜由于对^*CO具有合适的吸附能,已被广泛证明是唯一能够有效地将CO₂还原为碳氢化合物和含氧化合物的金属催化剂。然而,纯Cu稳定性差、产品选择性低、过电位高,阻碍了工业级多碳产品的生产。构筑Cu基串联催化剂是提高CO₂RR性能的一种有前途的策略。本文首先介绍电催化CO₂RR的反应路线和串联机理。然后,系统地总结铜基串联催化剂对电催化CO₂RR的最新研究进展。最后,提出合理设计和可控合成新型电催化CO₂RR串联催化剂面临的挑战和机遇。     

电催化动力学简介（英文）

电催化过程是实现社会向可再生能源与化学品转型的主要驱动力之一。电催化动力学分析是探索反应机理和建立电催化剂构效关系行之有效的方法。本文将通过三个广泛研究的电催化反应：电化学CO₂、CO还原反应和氧还原反应,探讨Tafel分析的普遍过程、隐含假设以及需要注意的问题。此外,本文将介绍电化学反应活化参数的基本概念和关键热力学、动力学变量之间的关系。     

锂-空气电池的实用化之路：规避二氧化碳负面效应

与其他的锂电池体系相比,锂-空气电池具有最高的理论比能量,被认为有潜力成为终极能量转换和储存装置。目前的锂-空气电池常常使用气体钢瓶提供纯氧气,而非空气中的氧气,这种电池设计极大降低了锂-空气电池的能量密度和实用性。然而,当空气作为锂-空气电池的氧气供给源时,二氧化碳作为杂质会引起严重的副反应,从而降低锂-空气电池的性能。要解决二氧化碳引起的副反应,理解其反应机制至关重要。本文综述了锂-空气电池中有关二氧化碳诱发的化学/电化学反应的研究进展; 总结了可缓解二氧化碳负面效应的有效策略。此外,对二氧化碳选透膜材料和分离技术用于锂-空气电池进行了展望。