電催化CO2還原領域綜述梳理，速來學習！

Alisa 4年前 (2019-12-01) 38548瀏覽

全球工業的高速發展以及人類活動導致溫室氣體排放量大幅增加，地球生態環境正在遭受著不可逆轉的破壞。二氧化碳作為溫室氣體的主要代表成分，如何將其轉化為碳氫化合物燃料吸引了全球科學家們的重點關注。在現存的幾種有效的轉化方法中，電化學催化還原二氧化碳由于可在常溫常壓下進行，并且能夠實現人為的閉合碳循環，已然成為當下研究熱點和重點。本文選取近期發表的相關重要文獻綜述以供同行參考。

1.Nat. Energy : 電催化二氧化碳燃料轉化方面的進展和挑戰

二氧化碳電催化還原是一種非常有前途的，以(過剩的)可再生電力為能源實現化學儲能的有效方法。近日，來自荷蘭萊頓大學的Federico Calle-Vallejo和Marc?T. M. Koper等人闡述了電催化二氧化碳燃料轉化方面的進展與其所面臨的挑戰，重點介紹了催化劑表面發生二氧化碳初始活化的模型并揭示了初始選擇行為的重要性，重點梳理了在二氧化碳的初始活化和碳-碳鍵的形成過程中受到表面結構(納米和介觀尺度)、電解質效應(PH值、緩沖強度、離子效應)和質量傳輸條件之間的相互作用關系。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41560-019-0450-y

2. Nat. Catal. : 通過原位表征技術理解非均相電催化二氧化碳還原過程

可再生能源的轉換和儲存在全球范圍下努力應對限制氣候變化的劇烈影響中發揮著重要作用。特別是通過電催化將二氧化碳還原為化學物質和燃料，可以獲得接近于閉環的碳循環。來自新加坡科技研究局的Albertus D. Handoko和Fengxia Wei等人撰寫的此篇綜述中，重點介紹了動態現場原位表征技術在理解催化劑活性和選擇性方面的重大進展，以加強人們對非均相電催化二氧化碳還原過程的理解。該綜述總結了通過使用動態現場原位光學，X射線以及電子為基礎的原位技術手段，著眼于催化過程的關鍵問題進行深入的介紹，并對該領域的研究新方向和前景提出了重要見解。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41929-018-0182-6

3. Nat. Catal.: 基于電化學催化二氧化碳獲得循環利用材料的設計

電化學二氧化碳還原為利用可再生能源，合成燃料和化學原料提供了一種非常具有吸引力的方法。如何將催化劑設計與催化機理完美結合，并推動了相關技術走向工業發展是研究重點。催化劑必須具有好的選擇性、低的過電位和大的電流密度，從而能夠產生有價值的碳基產品。來自美國加州大學伯克利分校的Michael B. Ross和Peidong Yang等人撰寫的綜述描述了二氧化碳電催化還原的科學進展，并介紹了催化劑的還原機理和性能指標，以實現中性碳可再生能源的存儲和利用。此篇綜述詳實地回顧了實現電化學二氧化碳回收技術所需要的關鍵點，包括了從原子水平的催化材料設計及化學產品選擇性，到提高反應速率和提高穩定性的裝置的考慮。文章總結了電催化劑原子設計機理，分析了進一步發展電催化二氧化碳回收的瓶頸，特別是在生產高選擇性且高價值的化學產品方面。這些都需要加深對還原機制的理解，對操作過程中電催化劑結構性質的新見解，以及對電解器技術的最新改進的集成。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41929-019-0306-7

4. Chem. Soc. Rev.: 催化CO2還原的表面策略: 從二維材料到納米團簇再到單個原子

納米-原子級二維(2D)材料、團簇和單原子材料因其可工程化的超薄/小尺寸和大表面積而成為非常出色的催化劑，引起了世界范圍內的研究興趣。目前，二氧化碳催化還原的的研究和應用之間仍存在一定差距。澳大利亞國立大學的Zongyou Yin教授聯合海內外課題組發表的綜述系統地討論了目前報道過的納米到原子催化劑的表面策略: 基于2D材料、納米團簇和單原子的催化劑的表面科學、表面設計和表面工程，以及在基礎理解和潛在的工業應用方面對該領域未來發展的主要挑戰和機遇。這篇綜述預計將推動合理的設計表面策略，用以發展高選擇性, 高活性且高穩定性的催化劑，從而解決氣候變化、能源和環境問題，潛在的工業前景為可持續發展開辟新途徑。

文獻鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/cs/c9cs00163h

5. Chem. Soc. Rev.: 利用MOF和MOF基材料進行碳的捕獲和轉化

大氣中迅速增加的二氧化碳濃度威脅著人類社會、自然環境以及兩者之間的協同作用。為了改善二氧化碳過度排放等問題，應運而生了碳捕獲和轉化技術。金屬有機骨架基材料(MOF)是一類結構獨特、表面積大、化學可調性好、穩定性好的新型多孔材料。近年來的研究表明MOF基材料具有出色的二氧化碳捕獲能力，顯示了其具有高效轉化二氧化碳的潛力。此外，結構明確的MOF基材料極大地促進人們對結構-性能關系及其在二氧化碳捕獲和轉化中的理解。中國科學技術大學的Hai-Long Jiang教授團隊聯合美國加州大學伯克利分校Omar M. Yaghi教授撰寫的綜述全面地介紹了MOF基材料，包括MOF、MOF復合材料和MOF衍生物的設計和合成的重要進展，以及它們在碳捕獲和轉化中的應用。并重點討論了MOF基材料的二氧化碳捕集能力與催化二氧化碳轉化性能之間的關系。

文獻鏈接：

https://pubs-rsc-org.libproxy1.nus.edu.sg/en/content/articlelanding/2019/cs/c8cs00829a

6. Chem. Rev.: 電解液中銅基催化劑電化學CO2還原的研究進展及展望

銅基催化劑是唯一一種現存的多相催化劑，能夠通過電化學催化還原二氧化碳產生有價值的碳氫化合物和醇（如乙烯和乙醇）。影響二氧化碳還原反應活性和選擇性的因素很多，包括催化劑的表面結構、形態、組成、電解質離子和PH值的選擇以及電化學電池的設計。而這些影響因素往往相互制衡，從而使催化劑的開發和設計工作復雜化。來自美國斯坦福大學Jens K. N?rskov, Thomas F. Jaramillo與多個科研團隊合作，以多個角度來審視多種影響因素在銅基催化劑催化還原二氧化碳過程中的復雜相互作用，對該領域的研究方向和實際應用進行批判性的評估和指導。文中描述了銅基催化劑的二氧化碳還原反應的實驗探索與機理，并展示了作者們對于整個復雜反應網絡的理解。作者詳盡分析了用于調節銅基催化劑的活性與選擇性的兩種關鍵方法：納米構筑與雙金屬電極的構造。最后，對電化學二氧化碳還原反應的發展前景進行了展望。

文獻鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.8b00705

7. Nat. Catal.: 基于多碳產物的CO2電還原催化劑及電解液的合理設計

二氧化碳電還原燃料轉化是關閉人為碳循環和儲存可再生能源的一個有吸引力的途徑，它可以產生許多工業應用急需的化學品，特別是具有更高能量密度的多碳含氧化合物和烴產物(C2+)。而二氧化碳選擇性轉化為C2+反應的過高電位，低反應速率和低選擇性，使得反應過程對催化劑結構和電解質要求嚴格。馬克斯·普朗克學會的Beatriz Roldan Cuenya教授團隊近期討論了通過合理設計催化劑與電解液來實驗高C2+選擇性的策略。基于銅和銅雙金屬催化劑，以及一些替代材料是屬于目前最先進的催化劑，作者聚焦動態現場原位表征技術，強調了催化劑結構和組成的動態演化過程的重要性，同時針對催化劑幾何形狀和組成與電解液協同作用下提高C2+選擇性的反應機理提供了自身的見解。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41929-019-0235-5

8. Energy Environ. Sci.: 氣體擴散電極上的二氧化碳還原，以及為什么催化性能必須要與商業關聯評估

電催化二氧化碳還原在以下兩方面被賦予重要期望：一方面可以在未來有效緩解碳排放的問題，同時也為化學能源領域和燃料轉化領域提供長期有效的途徑。當下，為了提高了二氧化碳轉化效率，提高C1和C2產品的選擇性，新型催化劑不斷涌現。為數不多的催化劑已經在商業化相關的電流密度(~200 mA cm-2)下進行測試，這是由于傳統測試配置的傳輸限制以及科學家們總是聚焦在基礎催化動力學的研究因而大幅降低測試的電流密度。然而，催化劑的選擇性和活性對局部反應環境高度敏感，而局部反應環境隨反應速率的變化而急劇變化。因此，許多二氧化碳還原催化劑的表面性能有可能在錯誤的操作條件下得到優化。來自代爾夫特理工大學Thomas Burdyny和Wilson A. Smith就此現狀提出展望，重點強調了反應速率對二氧化碳還原反應的催化行為和操控氣體擴散層的實質性影響作用。作者希望促進高電流密度催化劑的測試作為正確評估電化學二氧化碳還原催化劑的必要步驟，并加速實現該項技術在全球范圍內中和二氧化碳排放的預期應用。

文獻鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ee/c8ee03134g

小結

大氣中CO2的濃度已從自19世紀末期以來的280 ppm增加至目前的400 ppm，降低二氧化碳濃度的技術探索已經刻不容緩。小編希望大家多多關注催化二氧化碳還原技術，并且也從自身做起節能減排，挽救地球母親的命運，共同維護我們賴以生存的家園。

參考文獻

  1. Yuvraj Y. Birdja, Elena Pe?rez-Gallent, Marta C. Figueiredo, Adrien J. Go?ttle, Federico Calle-Vallejo, Marc T. M. Koper, Advances and challenges in understanding the electrocatalytic conversion of carbon dioxide to fuels. Nat. Energy., 2019, 4, 732-745.
  2. Albertus D. Handoko, Fengxia Wei, Jenndy, Boon Siang Yeo, Zhi Wei Seh, Understanding heterogeneous electrocatalytic carbon dioxide reduction through operando techniques. Nat. Catal., 2019, 1, 922–934.
  3. Michael B. Ross, Phil De Luna, Yifan Li, Cao-Thang Dinh, Dohyung Kim, Peidong Yang, Edward H. Sargent, Designing materials for electrochemical carbon dioxide recycling. Nat. Catal., 2019, 2, 648–658.
  4. Liming Wang, Shizhang Qiao, Jianbo Wu, Zongyou Yin, Surface strategies for catalytic CO2 reduction: from two-dimensional materials to nanoclusters to single atoms. Chem. Soc. Rev., 2019 DOI: 10.1039/c9cs00163h
  5. Meili Ding, Robinson W. Flaig, Hai-Long Jiang, Omar M. Yaghi, Carbon capture and conversion using metal– organic frameworks and MOF-based materials. Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 2783-2828.
  6. Stephanie Nitopi, Erlend Bertheussen, Soren B. Scott, Xinyan Liu, Albert K. Engstfeld, Sebastian Horch, Brian Seger, Ifan E. L. Stephens, Karen Chan, Christopher Hahn, Jens K. N?rskov, Thomas F. Jaramillo, Ib Chorkendorff, Progress and Perspectives of Electrochemical CO2 Reduction on Copper in Aqueous Electrolyte. Chem. Rev., 2019, 119, 7610?7672.
  7. Dunfeng Gao, Rosa M. Ara?n-Ais, Hyo Sang Jeon, Beatriz Roldan Cuenya, Rational catalyst and electrolyte design for CO2 electroreduction towards multicarbon products. Nat. Catal., 2019, 2, 198–210. ?
  8. Thomas Burdyny, Wilson A. Smith, CO2 reduction on gas-diffusion electrodes and why catalytic performance must be assessed at commercially-relevant conditions. Energy Environ.Sci., 2019, 12, 1442-1453.

本文由weininan供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.

分享到