KAUST张华彬/NIMS叶金花，EES：电催化二氧化碳还原合成多碳产物的挑战与展望

第一作者：常彬

通讯作者：叶金花*，张华彬*

单位：日本日本国家材料研究所（NIMS），沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）

电化学CO₂还原反应有望通过从CO₂和水中生产增值化学品和燃料，同时储存可再生能源和减少人为CO₂排放，从而彻底改变当前化学工业的现状。然而，由于选择性、活性和稳定性的限制，水性电解质中的电催化C-C偶联仍然具有挑战性。催化剂、反应系统（包括电解质和反应器）的优化是解决这些挑战的关键。本综述总结了在实现多碳（C₂₊）产物的有效C-C偶联方面的最新进展，重点是电催化剂和电催化反应器的设计策略、电解质的影响以及与原位表征技术相结合的相应机制的理论研究。此外，还讨论了当前C₂₊产物合成方面面临的挑战和未来机遇。本综述详细综述和规划了新的C-C偶联策略，以在电化学CO₂回收利用的基本理解和技术应用方面提供更多的启示。

近日，来自KAUST(阿卜杜拉国王科技大学)的张华彬教授与日本国家材料研究所的叶金花教授合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Multicarbon (C₂₊) Products: Challenges and Perspectives”的综述文章。该综述文章汇总了电化学C-C偶联合成C-C偶联的最新进展，从电催化材料、反应体系、原位表征技术及理论研究等多个方面分析了当前的C₂₊产物合成方面面临的挑战和应对策略。

当前纳米催化剂的产物选择性及反应稳定性仍不能满足工业化应用的标准，开发具有更高性能的电催化材料是电化学CO₂还原合成多碳产物未来研究的重点方向之一。传统的调控方式，如形貌、结构、表界面、合金化等，应该以调整催化材料与重要中间产物的结合能为目标，方能有效提升合成多碳产物的性能。同时，合理利用催化材料与载体之间的协同效应，在提升多碳产物的选择性方面具有一定的潜力。目前，单原子催化剂虽然显示出优异的转化效率，但仍面临诸多挑战，如原子团聚、负载量小、对长链产物的选择性不佳等。

模拟电化学反应的从头算方法的发展使理论研究电催化反应机理成为可能，并指导了催化材料的设计。通常，基于密度泛函理论的计算方法，是一种最为常用的探究电化学CO₂反应的方法。目前，电化学活化能的理论研究以及相应的动力学模型和选择性分析已经证明了电势、溶剂、pH和离子对催化反应的影响。然而，尽管理论计算能够在原子/电子尺度上对反应进行原位研究，但它们再现实际工作条件的能力相当有限，例如复杂的反应路径、活化能和离子效应。目前最为完备、近似最好的模拟方案是：PBE-D3方法+杂化模型+自由能计算组合。对于一般的计算，或者以高通量筛选为目标的理论预测，隐式水分子模型的静态计算也能获得不错的计算结果。

电催化CO₂还原合成多碳产物反应具有丰富的产物类型和复杂的反应路径，同时，催化反应过程中催化材料的结构也会发生变化。原位表征技术可以探究底物分子、反应中间体与催化位点之间的相互作用，并基于此探究材料与反应的本征构效关系（如催化剂稳定性、关键中间体的鉴定和配置、催化活性位点的确定以及反应环境的影响）。虽然原位表征技术有了长足的进步，但是仍存在诸多挑战。针对于合成多碳产物过程中关键基元反应在分、秒尺度完成，现有表征技术的空间、时间分辨度有待提升。另外，反应系统的实用性有待拓展（包含反应器系统设计、分析系统设计等）。

电催化CO₂还原的核心固然是催化剂，但催化系统中的其他因素也对多碳产物的选择性起到至关重要的作用，包括电解质和电极结构的设计。针对电解质，不同尺寸的离子具有不同的水合能力和电极的亲和性，通过调节其组成成分(阳离子、阴离子、浓度)可以大幅改变反应活性。离子液体的引入也可进一步有效改善CO₂的吸附活化问题。优化气体扩散电极和离子交换膜设计，探究三相界面的传质过程对于多碳产物合成的效率和选择性的提升是十分有必要的。

Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Multicarbon (C₂₊) Products: Challenges and Perspectives

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee00964e

张华彬教授简介：2020年12月加入阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）, 化学科学系，担任独立PI, 博士生导师。张华彬博士于2013年于中国科学院获得博士学位，同年于中国科学院担任助理研究员。2014年至2017年于日本国立物质研究所进行博士后研究。并于2017年3月份加入新加坡南洋理工大学(Research fellow)。长期致力于构筑单原子催化剂在能源转化与环境优化领域的应用。目前已发表论文/专著章节100余篇，文章引用次数14000余次，H因子58。其中多篇文章以第一/通讯作者发表在Sci. Adv., Joule, Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy等国际著名期刊。

叶金花教授简介：NIMS 首席研究员、北海道大学兼职教授。1990年获得东京大学理学博士学位。2005年教育部长江学者奖励计划讲座教授，2006获得年国家海外杰出青年基金，2010年入选国家高层次人才计划。长期从事新型光热催化材料，半导体光催化材料的开发以及在太阳能转换和环境净化方面应用的研究，先后承担了日本政府、产业界、国家“973”项目以及国家自然科学基金重点项目及等十几项重大研究项目。在Nature, Nature Mater., Nature Catal., Nature Commun., Phy. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际著名杂志上发表论文660余篇，迄今已获得同行引用66,000余次，H因子132。2016年入选为英国皇家化学会会士，被汤森路透评选为2016，2018，2019，2020，2021和2022年度全球高被引科学家，目前担任Science Advances, ACS Nano副主编。

常彬博士，2020年于山东大学获得博士学位。2020~2022年，济南大学/加拿大国立科学院博士后（合作导师：周伟家教授、孙书会院士）。2022年至今，阿卜杜拉国王科技大学博士后（合作导师：张华彬教授）。主要从事电催化碳、氮循环反应机理研究，以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., Appl. Catal. B-Environ., Energy Storage Mater.等期刊发表SCI收录论文16篇，授权发明专利6项。

Advanced Catalysis of Sustainable Energy (ACSE), headed by Huabin Zhang (Assistant Professor of Chemistry) in the KAUST Catalysis Center.

Lab of ACSE focuses on the development of single-atom catalysts with the particular configuration for sustainable energy conversion, including photocatalysis, electrocatalysis, and thermal catalysis. Our research also extends to the operando investigation for monitoring the structural evolution of the reactive centers, as well as the mutual interaction between the reactive center and reactant in the catalytic process.

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