近日，固体表面物理化学国家重点实验室王野教授和谢顺吉教授研究团队应邀撰写的综述性论文“Electrocatalytic reduction of CO2 and CO to multi-carbon compounds over Cu-based catalysts”发表于Chemical Society Reviews (DOI: 10.1039/D1CS00535A)。论文系统评述了铜基催化剂上CO2和CO电催化还原制多碳产物在反应机理、选择性、活性和稳定性方面的异同点，并对当前挑战和未来发展方向做出了前瞻性展望。
电催化还原CO2制多碳产物，特别是具有高附加值和广泛用途的低碳烯烃和含氧化合物，有望缓解化石能源消耗，并减少碳排放，具有重大意义。电催化还原CO2制多碳产物主要有两条路线：直接路线和经CO中间体的间接路线。电催化还原CO2制CO在固态电解池中已实现商业应用，使得间接法成为非常有前景的发展路线。铜基催化剂是唯一可以有效实现电催化还原CO2和CO制多碳产物的金属。近年来，国内外多个研究团队在电催化还原CO2和CO制多碳产物方面取得重大突破，两条路线展现出不同的优势和劣势。
该综述基于近期的重大突破，系统比较了两条路线在反应机理、选择性、活性和稳定性方面的异同点。(1) 在反应机理方面，CO是电催化还原CO2制多碳产物的重要中间体，因而电催化还原CO2和CO的C−C偶联机理基本相似。但由于两条路线的CO覆盖度不同，从而影响C−C偶联之后的中间体稳定性，造成不同的产物分布。(2) 在选择性方面，乙烯、乙醇、乙酸和正丙醇均为主要的多碳产物，但由于电催化还原CO不生成甲酸和CO，因而相较于电催化还原CO2具有更高的多碳产物选择性。此外，电催化还原CO2和CO的多碳产物分布也存在显著差异：电催化还原CO2具有更高的烯烃选择性，而电催化还原CO具有更高的含氧化合物选择性。进一步还探讨了两条路线提高单一多碳产物选择性的策略和进展。(3) 在活性方面，由于传质限制不同，两条路线在H池和流动池中表现出不同的变化趋势。流动池的反应活性已接近工业应用的要求，因而该综述重点讨论了流动池中电流密度≥ 1 A cm−2的突破性进展。(4) 在稳定性方面，由于CO2易和OH−反应生成碳酸盐，造成盐积累，因而电催化还原CO相较于还原CO2具有更好的稳定性。最后，该综述对CO2和CO电催化还原制多碳产物领域中的挑战和机遇进行了系统梳理和展望。
王野教授团队长期致力于C1化学领域的基础研究。在CO2、CO、CH4和甲醇等小分子的催化选择转化方面，取得了一系列重要研究进展(Nat. Catal. 2021, 4, 242; Energy Environ. Sci.2021, 14, 37; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17735; Nat. Catal.2020, 3, 478; Nat. Commun. 2020, 11, 827; Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 3193; Nat. Commun. 2019, 10, 892; Nat. Catal. 2018, 1, 787; Nat. Commun. 2018, 9, 1181; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12012; Chem 2017, 3, 334; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4725)。
该论文第一作者为固体表面物理化学国家重点实验室2016级博士马文超（现为瑞士EPFL博士后），王野教授和谢顺吉教授为共同通讯作者。2019级硕士生何潇洋、王伟以及张庆红教授参与了部分图表的绘制和内容的撰写。该研究工作得到科技部重点研发计划(2019YFE0104400)，国家自然科学基金(2212100020、91945301、22022201、21972115)，嘉庚创新实验室(RD2020020201)等项目的资助。
论文链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d1cs00535a