多孔催化剂促进二氧化碳电还原

• Published in: 催化学报 Vol. 67; no. 12; pp. 4 - 20
• Main Authors: 由晓钰, 杨曹雨, 李欣炜, 唐智勇
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 国家纳米科学中心,中国科学院纳米科学卓越中心,中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室,北京 100190%国家纳米科学中心,中国科学院纳米科学卓越中心,中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室,北京 100190 2024; 郑州大学河南先进技术研究院,河南郑州 450003; 中国科学院大学,北京 100190%郑州大学河南先进技术研究院,河南郑州 450003; 中国科学院大学,北京 100190; 国家纳米科学中心,中国科学院纳米科学卓越中心,中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室,北京 100190
• Subjects: Enrichment; 传质; Electrocatalytic carbon dioxide reduction; 多孔纳米材料; 微环境pH; 增强; Local pH; 电催化二氧化碳还原; Porous nanomaterials; Mass transfer
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60147-6

近几十年,全球温室气体排放量急剧上升,二氧化碳年排放量高达540亿吨,达到历史最高水平,已引起世界各国的高度关注.面对全球能源需求的激增和环境问题的加剧,寻找可持续的能源解决方案变得尤为重要.二氧化碳转化为增值化学品是一个可行的策略.电催化二氧化碳还原反应提供了一种将二氧化碳转化为高附加值化学品的方法,对实现碳循环和促进绿色化学的发展具有重要意义.同时,多孔材料以其独特的物理化学性质,在电催化二氧化碳还原反应中展示出巨大的潜力. 本文系统总结了多孔材料在电催化二氧化碳还原反应中的最新研究进展.首先,简要介绍了多孔材料的合成技术,总结了多孔材料与电催化二氧化碳还原反应相结合的设计策略.接着简要概述了电催化二氧化碳还原反应的反应机理,以及不同目标产物的关键反应中间体.然后,通过重点介绍一些典型案例,详细地阐述了多孔催化剂在电催化二氧化碳还原反应中富集效应、调节微环境pH值、稳定关键中间体、促进传质和扩散以及调节活性位点性质的作用.最后,讨论了当前电催化系统面临的主要挑战,并提出了未来的研究方向:(1)在材料合成方面,实现多孔催化剂的可控合成,可以为不同的反应需求提供保障;(2)探究多孔催化剂的多尺度效应,多级次结构有利于电催化二氧化碳还原为多碳产物;(3)利用更多的理论计算手段,构建准确的模型,利用有限元模拟方法获得更多的反应条件参数,同时结合大量的实验数据利用机器学习进行催化剂材料的预测;(4)结合新兴的表征技术深入探索反应机理,例如用于检测中间体的振动光谱(拉曼光谱和红外光谱),用于监测远距离阶的散射方法(X-射线衍射和小角度X-射线散射),以及用于探测局域电子和邻近结构的X-射线吸收光谱;(5)探索电催化二氧化碳还原工业应用的发展,综合考虑成本、催化性能和产品价值,使其经济可行性达到最大. 综上,本文系统地总结了多孔材料电催化二氧化碳还原的合成策略、反应机理、促进作用、具体应用以及目前存在的挑战,为未来多孔催化剂的合成和电催化二氧化碳还原性能的优化提供了新见解,将有益于化学和材料研究的广泛应用.