电化学二氧化碳还原中的铜基催化剂

由于不断增加的二氧化碳排放导致全球变暖,且能源短缺等问题日益恶化,将二氧化碳电化学还原为高附加值化学品和燃料引起了极大的兴趣,设计高效催化剂对实现二氧化碳的高效选择性转化具有重要意义. 在所探索的各种催化剂中,铜基催化剂具有良好的开发潜力,可用于烃类生产. 本文综述了铜基电化学二氧化碳转化材料的最新进展. 分别从尺寸结构到不同形式（合金、氧化物）的铜基催化剂,以及分子催化剂等方面展开,重点讨论铜基催化剂上二氧化碳电解还原的反应机理. 最后,对未来高效铜基催化剂的设计提出展望,以促进二氧化碳转化的可持续发展.     

基于金属氧化物材料的二氧化碳电催化还原

The CO₂ level in the atmosphere has been increasing since the industrial revolution owing to anthropogenic activities. The increased CO₂ level has led to global warming and also has detrimental effects on human beings. Reducing the CO₂ level in the atmosphere is urgent for balancing the carbon cycle. In this regard, reduction in CO₂ emission and CO₂ storage and usage are the main strategies. Among these, CO₂ usage has been extensively explored, because it can reduce the CO₂ level and simultaneously provide opportunities for the development in catalysts and industries to convert CO₂ as a carbon source for preparing valuable products. However, transformation of CO₂ to other chemicals is challenging owing to its thermodynamic and kinetic stabilities. Among the CO₂ utilization techniques, electrochemical CO₂ reduction (ECR) is a promising alternative because it is generally conducted under ambient conditions, and water is used as the economical hydrogen source. Moreover, ECR offers a potential route to store electrical energy from renewable sources in the form of chemical energy, through generation of CO₂ reduction products. To improve the energy efficiency and viability of ECR, it is important to decrease the operational overpotential and maintain large current densities and high product selectivities; the development of efficient electrocatalysts is a critical aspect in this regard. To date, many kinds of materials have been designed and studied for application in ECR. Among these materials, metal oxide-based materials exhibit excellent performance as electrocatalysts for ECR and are attracting increasing attention in recent years. Investigation of the mechanism of reactions that involve metallic electrocatalysts has revealed the function of trace amount of oxidized metal species—it has been suggested that the presence of metal oxides and metal-oxygen bonds facilitates the activation of CO₂ and the subsequent formation and stabilization of the reaction intermediates, thereby resulting in high efficiency and selectivity of the ECR. Although the stability of metal oxides is a concern as they are prone to reduction under a cathodic potential, the catalytic performance of metal oxide-based catalysts can be maintained through careful designing of the morphology and structure of the materials. In addition, introducing other metal species to metal oxides and fabricating composites of metal oxides and other materials are effective strategies to achieve enhanced performance in ECR. In this review, we summarize the recent progress in the use of metal oxide-based materials as electrocatalysts and their application in ECR. The critical role, stability, and structure-performance relationship of the metal oxide-based materials for ECR are highlighted in the discussion. In the final part, we propose the future prospects for the development of metal oxide-based electrocatalysts for ECR.     

铜电极上二氧化碳还原机理的研究进展

本文从历史角度综述了二氧化碳在铜基催化剂上的还原机理的最新研究进展,对区分C1和C2产物路径发生的机制,以及调控二氧化碳还原产物选择性的影响因素和方法进行了重点阐述,着重讨论了如何利用电化学红外光谱与微分电化学质谱等技术在揭示反应机理方面的研究思路与方法学.     

用于二氧化碳电化学还原反应的铜基催化剂研究进展

二氧化碳（CO₂）电催化还原对于解决目前日益严重的能源危机和环境污染等问题具有重要的意义,并且能产生一定经济效益. 本文简要概述了水溶液体系中电化学还原CO₂的发展现状,从铜基催化剂的结构/形貌两方面着手,介绍了近年来的最新研究进展. 最后,结合当前发展状况,从能源和经济等角度出发,对未来铜基电极材料研究进行了展望.     

二氧化碳电还原制草酸研究进展

近年来, 二氧化碳过量排放所引发的全球变暖等气候问题引起了全世界的广泛关注, 碳减排已成为人类社会可持续发展面临的共同挑战. 利用电化学方法将二氧化碳转化为高附加值化学品是实现碳减排和二氧化碳高附加值利用的理想途径之一, 但仍面临能耗高、 二氧化碳转化率低、 产物选择性差和难分离等问题. 本文以电还原二氧化碳制草酸为例, 从反应机理、 催化剂、 电解液、 催化电极及反应器等方面介绍该反应的研究进展, 对当前二氧化碳电还原制草酸存在的关键问题进行了分析, 并对其未来研究方向进行了展望.     

基于流动池的电化学二氧化碳还原研究进展

采用电化学方法将二氧化碳（CO₂）还原转化为基础化学品或碳基燃料是目前极具前景的碳资源利用新方式. 考虑到该技术未来的发展方向和大规模应用需求,人们亟需开发具有高转化效率和高稳定性的电解设备. 在本文中,作者详细介绍了现阶段发展的两种流动池的结构特点及性能优势,阐述了每种反应体系的内在局限性, 深入分析了整个反应体系所用组件（电解池、气体扩散电极、离子交换膜）对于性能的影响. 最后,针对目前该领域存在的挑战及未来发展趋势进行了总结与展望.     

电催化氮还原催化剂的研究进展

氨气作为一种工业原料,具有良好的储氢性能,在工业,农业,药品生产等很多领域得到了广泛的应用.电化学氮还原以清洁能源氢作为原料,反应条件温和,近些年来受到了科学家们的广泛关注.对近些年来电化学氮还原(NRR)催化剂的发展与研究进行了综述,并对它们的合成方法,性能及稳定性进行了深入探讨.     

CO2电化学还原研究进展

综述了利用电化学方法研究CO2在水溶剂，非水溶剂中的转化情况和机理，以及将CO2固定在有机络合物中或用光电化学，光催化还原CO2及仿光合作用转移CO2的最新研究情况，旨在寻求一种合理，高效的CO2转化方法以缓解温室效应。     

电化学还原二氧化碳合成碳材料电催化还原氧气合成过氧化氢北大核心CSCD

研究了3种不同阳极(铜丝,镀锌铁丝和镍丝)材料对在熔盐中电化学还原CO_(2)制备的碳材料结构和形貌的影响,并探究了制备的3种碳材料,中空四面体碳(HQC,Cu作为阳极时的还原产物)、碳纳米片(CNS,Fe作为阳极时的还原产物)和海绵状多孔碳(SPC,Ni作为阳极时的还原产物),对2电子氧还原反应(2e;ORR)的电催化性能。研究表明,使用镀锌铁丝作为阳极材料制备的CNS由大量的碳纳米片构成,且该纳米片上具有丰富的孔洞结构以及较大的I_(D)/I_(C)(Raman光谱中D峰与G峰的强度之比,其比值反映材料的缺陷程度)值(0.996)。与HQC和SPC相比,CNS表现出最高的2e;ORR电催化活性和H_(2)O_(2)选择性(接近90%)。CNS的高活性和高选择性归因于其高的I_(D)/I_(C)值和高C—O/C=O比值,说明结构缺陷和C—O/C=O官能团对CNS催化性能至关重要。此外,CNS还具有非常优异的电催化稳定性,在长达14 h的恒电压电化学催化测试后,环电流几乎无衰减。这种以CO_(2)为碳源合成可用于电催化合成过氧化氢(H_(2)O_(2))的碳材料的方法,不仅可以作为缓解温室效应的潜在选项,也为CO_(2)衍生碳的实际应用提供了新的思路。     

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。     

Recent Progress on Bismuth-based Nanomaterials for Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction

Due to the burning of fossil fuels, the level of carbon dioxide(CO₂) in the atmosphere gradually rises, leading to serious greenhouse effect and environmental problems. Electrocatalytic reduction of CO₂ is currently an efficient way to convert CO₂ to value-added products. Bismuth(Bi)-based nanomaterials have raised great interests due to their excellent activity and high selectivity to electrocatalytic CO₂ reduction. In this review, the fundamental principles of electrochemical CO₂ reduction reaction(CO₂RR) are introduced at first. Moreover, the recent development of Bi-based electrocatalytic materials including Bi with various nanostructures(nanoparticle, nanosheet, etc.), Bi-based compounds(Bi oxide, bimetal chalcogenide, etc.), and Bi/C nanocomposites are summarized. In the end, the future prospects and challenges of electrocatalysts for CO₂ reduction are discussed.     

二氧化碳加氢制甲醇多相催化剂研究进展

化石燃料的利用为人类社会带来了前所未有的繁荣和发展. 然而, 化石燃料燃烧引起的过量的二氧化碳(CO₂)排放导致全球气候变化和海洋酸化; 而且作为一种有限的资源, 化石燃料的消耗将迫使人们寻找其它碳源以维持可持续的发展. 利用可再生能源获取电能分解水制得的绿色氢气(H₂)与捕集后的CO₂反应制成甲醇, 不仅能有效利用工业废气中多余的CO₂, 还能获取清洁、 可再生的甲醇化学品, 该过程的技术核心是开发高效稳定的CO₂加氢制甲醇催化剂. 本文综合评述了现有研究关注较多的多相催化CO₂加氢制甲醇催化剂的反应机理和构效关系, 总结了目前多相催化CO₂加氢制甲醇催化剂(Cu基催化剂、 贵金属与双金属催化剂、 氧化物催化剂以及其它新型催化剂)的设计与合成方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.     

Oxygenates from the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide

Electrochemical reduction of carbon dioxide (CO₂) driven by renewable electricity to give chemicals and fuels is considered an ideal approach that can alleviate both carbon emission and energy tension stress. High‐value chemicals such as oxygenates can be effectively produced from the electroreduction of CO₂, and this is highly attractive to promote the economy and applicability of CO₂ utilization. This review focuses on recent advancements in the electrochemical reduction of CO₂ to formic acid, methanol, ethanol, acetic acid, and other oxygenates. The principles of the process, influencing factors, and typical catalysts are summarized. On the basis of the aforementioned discussions, we present future prospects for further development of the electroreduction of CO₂ to oxygenates.     

Metal-Organic Frameworks for Efficient Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide

The large concentration of carbon dioxide (CO₂) in the atmosphere can be utilized in industrial production using effective electrocatalysts such as metal-organic frameworks (MOFs). Due to good properties such as high surface area, designable functionality, and uniform constitution, MOFs are regarded as promising electrocatalysts for the carbon dioxide electrochemical reduction reaction (eCO₂RR). This review covers the importance, challenges, and mechanism of eCO₂RR, and simply discusses the progress in the synthesis methods and characterization of MOFs. The review also thoroughly discusses the advances of single metal-based MOFs, mixed metal-based MOFs, and MOF derivatives as electrocatalysts for efficient eCO₂RR.     

光电催化二氧化碳还原研究进展

CO_2是最常见的化合物,作为潜在的碳一资源,可用于制备多种高附加值的化学品,如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。传统的热催化转化CO_2方法能耗高,反应条件苛刻。因此,如何在温和条件下高效地将CO_2转化成高附加值的化学品,一直以来是催化领域的研究热点和难点之一。光催化技术反应条件温和、绿色环保。然而,纯光催化反应普遍存在太阳能利用效率有限,光生载流子分离效率低等问题。针对上述问题,在光催化的基础上引入电催化,可以提高载流子的分离效率,在较低的过电位下,实现多电子、质子向CO_2转移,从而提高催化反应效率。总之,光电催化技术可以结合光催化和电催化的优势,提高CO_2催化还原反应效率,为清洁、绿色利用CO_2提供了一种新方法。本文依据光电催化CO_2还原反应基本过程,从光吸收、载流子分离和界面反应等三个角度综述了光电催化反应的基本强化策略,并对未来可能的研究方向进行了展望。     

钯基纳米材料电化学还原二氧化碳研究进展

电化学二氧化碳还原是利用电能驱动将CO_2高效转化为小分子碳基燃料的新方法,被认为是目前最具应用潜力的碳资源转化技术之一。然而,CO_2还原反应仍面临着诸多挑战,如反应过电位高,产物选择性低以及析氢反应的竞争等。因此,开发高效的电催化剂是发展CO_2还原技术的核心关键。近年来,Pd基材料在CO_2还原反应中表现出独特的催化性能优势:它不仅可以在接近平衡电位下高选择性地还原CO_2生成甲酸/甲酸盐,还能够在一定的负电位区间高效地还原CO_2生成CO。尽管如此,Pd基材料目前仍存在着成本较高、活性不理想以及稳定性差等问题,严重制约了其进一步应用与发展。对此,本文首先简单介绍了CO_2RR的基本原理,并综述了近年来Pd基催化剂电还原CO_2的应用研究及发展现状。重点探讨了尺寸效应、形貌效应、合金效应、核壳效应及载体效应等对Pd基催化剂性能的影响。最后针对这类材料的问题挑战及其未来发展方向进行了探讨与展望。     

熔盐电化学还原二氧化碳制备碳材料研究进展北大核心CSCD

二氧化碳浓度持续升高导致的温室效应已在全球范围内引发极端天气、冰川融化等一系列生态环境问题。为降低二氧化碳含量,改善气候变暖带来的恶劣影响,研发高效、绿色、安全的二氧化碳处理技术,促进碳资源循环可持续发展刻不容缓。熔盐离子液体作为一种良好的电化学转化介质,为二氧化碳还原提供了一条极具应用前景的技术路线。综述了国内外近几年高温熔盐中二氧化碳的捕获与电化学还原的研究,简述了熔盐电沉积碳的电化学机理和热力学机制,对不同形貌高附加值碳材料:无定形碳、碳球和碳纳米管的制备进行了总结,最后对未来发展方向做出展望。     

离子液体在CO_2电还原反应过程中的催化作用与机理研究

在1-丁基3-甲基咪唑三氟甲基磺酸盐([Bnlim][CF_3SO_3])/碳酸丙烯酯(PC)溶液中,采用循环伏安曲线、交流阻抗谱及阻抗模拟方法,研究了CO_2在Au上发生电还原反应的速率控制步骤与离子液体的催化作用.结果表明,在CO_2电还原反应过程中,吸附态CO_2经单电子还原生成CO_2~-自由基是速率控制步骤.由于离子液体的催化作用,CO_2在[Bmim][CF_3SO_3]/PC溶液中电还原的过电位比在四丁基三氟甲基磺酸铵([Bu_4N][CF_3SO_3])/PC溶液中降低了239 mV.交流阻抗测试结果表明,离子液体中的阳离子[Bmim]~+吸附在Au电极表面,形成离子液体吸附层,吸附态的CO_2分子经单电子还原后生成CO_2~·-)自由基,与周围离子液体发生相互作用,形成中间体[Bmim-CO_2]_(ad),降低了CO_2~(·-)的能量状态,使得CO_2电还原反应的过电位大幅度降低.     

可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应

随着能源短缺和环境问题日益突出, 寻找清洁和可再生能源来替代化石燃料是本世纪科学家面临的最紧迫的任务之一. 为了实现我国“双碳”战略目标, 利用太阳能将二氧化碳(CO₂)转化为清洁燃料和化学品是实现社会可持续发展的途径之一. 催化剂是CO₂光还原技术的核心组成部分, 其可以吸附气态CO₂分子, 在可见光照射下将CO₂还原为一氧化碳(CO)、 甲酸(HCOOH)、 甲醇(CH₃OH)或甲烷(CH₄)等能源小分子. 目前, 新型CO₂还原光催化体系的开发取得了很好的进展. 本文综合评述了近年来均相及非均相丰产金属卟啉类催化剂在光催化CO₂还原中的研究进展, 并对在金属卟啉均相催化剂作用下, CO₂光还原为CO或CH₄的反应机理分别进行了介绍, 还讨论了金属卟啉基多孔有机聚合物与卟啉有机金属框架在光催化CO₂方面的重要应用. 最后, 对可见光驱动卟啉类金属配合物催化的CO₂还原的发展前景进行了展望.