[Chemical Society Reviews] 我室谢顺吉教授和王野教授发表CO2和CO电催化还原制多碳产物研究综述

发布日期:2021年10月14日   浏览次数:

近日,我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CO2CO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CO2CO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CO2CO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CO2CO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CO2COCC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CC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CO2CO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 cm2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CO2CO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CO2COCH4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)

该论文第一作者为我院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(2212100020919453012202220121972115),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