电催化：实现电子化学未来的前景与关键作用

2025 年发表于《The Chemical Record》的文献《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》，对电催化技术的前景及其在实现电子化学未来中的作用进行了深入探讨。

《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》这篇文献围绕电催化研究现状、新兴方向、电催化到光电催化的转变、串联/配对电催化反应、电催化介导合成等多个方面展开分析，既阐述了电催化在 CO₂还原、氮气固定等新兴方向的潜力，也指出了其在成本、技术及研究局限等方面面临的挑战，旨在为推动电催化技术的发展、加速低碳化学生产模式的实现提供思路与参考。

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思维导图

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电催化的新兴方向

电催化的新兴方向主要集中在以下几个关键领域：1. CO₂还原反应（CO₂RR），旨在将二氧化碳转化为有价值的化学品，这对于碳循环和减少温室气体排放具有重要意义；2. 氮气固定（N₂还原），即通过电催化将氮气转化为氨等含氮化合物，为绿色肥料生产等提供新途径；3. 生物质衍生化学品的电催化转化，可将生物质中的成分转化为大宗化学品，有助于减少对化石资源的依赖；4. 电催化生产过氧化氢（H₂O₂），过氧化氢作为一种清洁氧化剂，在多个工业领域有重要应用，该方向具有较高的工业潜力。

电催化发展面临着多方面的挑战：1. 科学与技术挑战，包括反应的可扩展性问题，如如何实现电极尺寸的扩大和实际操作条件的优化，以及部分反应（如 CO₂RR、NRR）的性能尚未达到工业应用要求；2. 成本问题，与电催化技术相关的固定成本和运营成本仍然过高，需要通过改进电催化剂 / 电极设计、优化操作条件等降低成本；3. 研究局限，当前研究多集中在电催化剂的机理和设计方面，对系统工程的关注不足，且缺乏对不同反应协同利用等方面的深入探索，同时在理论方法上，尚未形成统一的电化学和电催化理论来指导新型电催化剂的设计。

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从电催化到光电催化

从电催化到光电催化是推动能源与化学品生产向可持续、循环和有韧性未来转型的重要方向，其核心在于整合直接利用太阳光的能力，开发光电催化（PEC）器件。PEC 器件主要有两种类型：一种是光活性单元集成到阳极部分（PECa），其中光活性功能通常集成在阳极，虽存在使阳极和阴极都具备光活性的可能性，但实际实现面临诸多困难；另一种是光活性单元作为光伏单元（PV/EC）外部存在并最终集成到电池中，其配置基于独立的光伏电池驱动电催化单元。PECa 紧凑型电池设计中，阴极和阳极直接位于膜的两侧，可减少传输限制以提升性能，还能使用气体扩散电极消除电解质并实现零间隙电池。

与电催化器件相比，PEC 系统的电流密度与光活性元件提供的电流密度、电池电阻及光组件和电组件的耦合相关，工业感兴趣的电催化过程典型电流密度高于 500 mA/cm²，而 PEC 器件的电流密度要低一个数量级以上。此外，电催化器件可连续运行，PEC 器件则需在有阳光时运行，这要求其设计需从低成本制造以适应不连续运行的角度出发，而非传统的太阳能到化学的转换效率考量。在有效性和机理方面，PEC 与电催化方法本质相同，但 PEC 在电势和电流密度上存在限制，电催化器件电流密度可达 1 A/cm²，PEC 器件则通常低两个数量级。同时，分散式生产模式下，PEC 生产单元需尽可能减少下游操作，以与生产单元的生产率、压力等相兼容，但目前文献对这些方面关注较少，PEC 器件也多作为独立元素研究，缺乏在价值链中的集成考量。

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串联/配对电催化反应

串联 / 配对电催化反应在生物基过程领域展现出巨大潜力，其核心优势在于能够实现过程 intensification 并开发低碳工艺，同时可利用可再生能源，还能通过原位生成 redox 反应物（如氢当量、活性氧物种）避免还原剂或氧化剂的生产成本。不过，尽管该技术已被认知多年，目前仍无商业应用实例，主要面临诸多需克服的困难：一是需识别合适的电催化剂，这类催化剂需在高电流密度下兼具高法拉第选择性和高稳定性，以应对电极污染或浸出等典型问题；二是要实现阳极和阴极反应的配对匹配，确保反应速率、电子及 H⁺/OH⁻ 流动等方面的平衡。

当前研究常聚焦于单个电极侧（尤其是阴极），而对两侧的协同利用关注不足。当研究聚焦阴极反应（如 CO₂RR 或 HER）时，析氧反应（OER）是典型的阳极反应，但 OER 动力学缓慢且需要较高过电势，因此人们常探索替代氧化反应，包括废水氧化等，近期也开始关注能量上易进行且动力学快速的反应以加速过程。不过，部分替代反应（如用氢气氧化提升氨电合成性能、用硝酸盐替代 N₂ 进行氨还原）虽能改善某些性能，却并非提升技术经济可行性和可持续性的理想方案，研究需更多关注相关价值链和工业实际案例。

一些欧盟项目已围绕串联 / 配对电催化反应展开探索，例如 TERRA 项目探索利用电池温度差匹配阴阳极反应，PERFORM 项目尝试将葡萄糖氧化与加氢脱氧配对生产己二酸等。此外，将 CO₂RR 与有机（生物基）化学品的电氧化（OOR）配对也是新兴方向，如 5 - 羟甲基糠醛（HMF）氧化为 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）与 CO₂RR 配对，不仅能降低过电势，还可产出高附加值化学品。但总体而言，该领域研究仍存在诸多不足，如缺乏对全电池反应的系统研究、部分集成过程尚未得到电催化证明、下游处理成本高及相关科学基础薄弱等，需进一步探索优化。

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电催化介导合成

电催化介导合成（又称间接电解）是一种在有机电合成中应用成熟，但在其他电催化领域尚未广泛普及的方法。其核心原理是通过 redox 介质作为电子转移剂实现底物的间接转化 —— 当底物难以直接发生氧化还原反应时， redox 介质可先与电极发生电子转移，再与底物反应，从而推动目标转化的进行。这种方法具有多方面优势：一是能消除电极与底物之间异质电子转移的动力学抑制，降低反应过电势；二是 redox 介质可展现出与直接电解不同的选择性，甚至更高的选择性；三是由于反应在较低电势下进行，可减少或避免电极因高电势导致的失活问题；四是能规避高电势下易发生的副反应，提高产物纯度。

不过，电催化介导合成也存在明显局限，其额外成本（尤其是下游分离和 redox 介质回收环节）对大宗商品和大宗化学品的生产而言较为关键。在有机电合成中，高附加值化学品的利润空间可覆盖这些成本，但在大规模工业生产中，成本控制难度显著增加。常用的 redox 介质因反应类型而异，阳极氧化中多采用特定的过渡金属化合物等，阴极反应则可使用过渡金属配合物等。总体而言，电催化介导合成作为一种潜在的高效转化策略，仍需结合具体应用场景进一步探索优化，尤其在降低成本、提升介质循环效率等方面需突破，以拓展其在更广泛电催化领域的应用。

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实现电子化学的关键

电子化学愿景旨在通过电催化等技术，解决弹性发展、碳中性生产及碳循环经济等社会挑战，推动化学品和能源生产模式向可持续、低碳的方向转型。

实现电子化学未来是应对社会挑战的重要方向，其核心在于通过电催化等技术构建全新的化学品和能源生产模式。这一未来模式需达成三大目标：一是发展具有韧性的发展模型，最大限度减少对外部资源的依赖和限制；二是建立碳中和甚至碳负性的生产系统，降低环境影响；三是实现超越化石燃料的碳循环经济。电催化作为关键技术，在其中扮演着推动转型的核心角色，而如何优先整合各类电催化反应、突破现有研究局限以实现从传统热催化到电子化学的跨越，是需要重点探索的问题。

实现电子化学未来需要多方面的努力。在研究层面，要突破当前局限，从更广泛的角度探索电催化的潜力，如拓宽反应范围、加强不同反应的协同利用，同时重视系统工程的研究；在技术层面，需改进电催化反应器设计，开发先进的电催化反应器，优化操作条件以降低成本；在理论层面，要建立统一的电化学和电催化理论，为新型电催化剂的设计提供指导。此外，还需结合新兴的技术和方法，如 3D 打印等加速电催化技术的规模化，推动其从实验室研究走向工业应用，最终构建起可持续的电子化学未来。

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结论与展望

尽管电催化研究热度渐升，但潜力尚未充分挖掘，在技术、成本及研究方向等方面存在诸多挑战。目前，从实验室迈向工业应用的进程缓慢，部分源于对电催化诸多可能性认识不足。未来，需拓宽研究边界，探索如 CO₂还原、氮气固定等新兴反应的潜力，加强不同反应的协同利用；要建立新的评估模型，以准确衡量电催化在全新场景中的影响；还应通过跨领域合作，激发创造性研究，将理论成果转化为实际生产力，推动电催化技术广泛应用，助力构建可持续、碳循环的电子化学未来 。

ABOUT

期刊：The Chemical Record

通讯作者：Gabriele Centi、Siglinda Perathoner

通讯单位：University of Messina

DOI：10.1002/tcr.202400259

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