综述：电催化二氧化碳还原合成二碳产物

天津理工大学张超博士、鲁统部教授在《科学通报》发表题为“电催化二氧化碳还原合成二碳产物”的综述文章。他们基于当前Cu基催化剂在电催化二氧化碳还原领域的最新研究进展以及面临的挑战，对近年来的相关研究现状进行了系统性梳理，并对相关领域的若干未来发展方向做出展望。

二氧化碳是一种主要的温室气体，其在地球大气中的含量已达约410 ppm（2019年数据），总量约3200 Gt。根据《巴黎协定》设定的目标，应在2100年之前将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 °C以内。据估算，为达到这一目标，2100年之前全球二氧化碳的净排放剩余配额约为800 Gt。然而，目前全球每年二氧化碳净排放约41 Gt。换而言之，若按目前的净排放速率持续下去，净排放剩余配额将在20年内用完。

二氧化碳可以通过人工固碳技术加以回收和循环利用。在诸多相关技术中，电催化二氧化碳还原可以在相对温和的条件下进行，其装置架构也相对简单；此外，这项技术与新型可再生能源（如太阳能、风能、水能等）有着良好的兼容性和互补性，可对特定时段过剩的电能加以转化并存储在化学键中，同时得到一系列有经济价值的还原产物。因此，电催化二氧化碳还原技术近年来受到了科研界和工业界的广泛关注。

电催化二氧化碳还原的产物，包括一氧化碳、甲酸、甲醇、甲烷等一碳化合物，乙烯、乙醇、乙二醇、乙酸、乙二酸等二碳化合物，甚至还包括丙烯、正丙醇、丙醛、丙酮等三碳化合物。E. H. Sargent课题组比较了这些产物的经济性，指出在综合考虑法拉第效率、电流密度等方面的前提下，一氧化碳、甲酸（或甲酸盐）、乙烯、乙醇是最具商业前景的目标产物（Joule, 2018, 2, 825–832）。目前电催化二氧化碳还原生成一氧化碳、甲酸的法拉第效率已经可达95%以上，而生成乙烯、乙醇的法拉第效率一般不超过60%。这是因为二碳产物的生成过程涉及到碳-碳偶联步骤，这在动力学上是一个活化能较高的二级反应，具有一定挑战性。可作为催化剂的常见金属中，铜（Cu）是唯一能以可观效率催化碳–碳偶联的金属。深入理解Cu基催化剂体系中碳-碳偶联的反应机理，并通过对Cu基催化剂的设计提高碳-碳偶联反应的选择性，是相关研究领域的重中之重。

天津理工大学张超博士（第一作者）、鲁统部教授（通讯作者）在《科学通报》发表了题为“电催化二氧化碳还原合成二碳产物”的综述文章。他们基于当前Cu基催化剂在电催化二氧化碳还原领域的最新研究进展以及面临的挑战，对近年来的相关研究现状进行了系统性梳理，并对相关领域的若干未来发展方向做出展望。

目前普遍认为，在二氧化碳还原为二碳、多碳产物的过程中，CO是最关键的中间体。两个CO分子（或其衍生的一碳中间体）在催化剂表面充分接近方能发生进一步碳–碳偶联反应，这对催化剂与CO之间的亲和性提出了很苛刻的要求，因为在亲和性这一参数上存在一对矛盾的因素: 一方面，催化剂表面需要对CO有足够强的吸附能力，以保证CO在表面有足够高的覆盖度，进一步发生偶联; 然而另一方面，偶联反应的活化能垒也随表面对CO吸附能力的增强而升高。在诸多金属中，Cu表面与CO的亲和性适中，可以兼顾*CO表面浓度和偶联反应活化能的要求，从而表现出独特的催化生成二碳、多碳产物的性能。

该综述文章系统介绍了Cu基催化剂表面催化碳-碳偶联的典型机理，进而总结了对Cu基催化剂进行设计以提高碳–碳偶联反应选择性的常用手段。

机理方面，文章详细介绍了三种典型的碳–碳偶联反应路径: CO二聚、CO+CHO偶联机理和CH2卡宾二聚。三种机理在不同的阴极电位区间范围内起作用，但均可得到以乙烯、乙醇为代表的二碳产物。

催化剂设计方面，文章系统阐述了如何通过调节Cu基催化剂的暴露晶面、尺寸、形貌、担载密度、原子氧化态、与其他金属合金化和复合来提高对碳-碳偶联反应选择性。

在综述的结尾部分，作者强调了原位、工况表征技术对探究反应机理的重要性，电解质和电极优化对催化剂设计的补充作用，并展望了串联催化剂、单原子催化剂、碳基催化剂、以及小分子催化剂异相固载等领域的广阔前景。

论文信息（阅读原文直达）

张超, 鲁统部. 电催化二氧化碳还原合成二碳产物. 科学通报, 2020, doi: 10.1360/TB-2020-0338

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