孙旭平教授/卢思宇教授-JMCA观点：金属基电催化CO2转化为甲酸/甲酸盐- 大数跨境

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孙旭平教授/卢思宇教授-JMCA观点：金属基电催化CO2转化为甲酸/甲酸盐

科学材料站

2020-10-08

导读：该观点文章分析了电化学催化CO2生成甲酸/甲酸盐的研究，同时汇总了作为高性能催化剂的不同类型的金属基电催化剂（均相催化剂与非均相催化剂）的新兴进展及未来研究方向。

文章信息

金属基电催化CO2转化为甲酸/甲酸盐

第一作者：丁鹏

通讯作者：孙旭平*，卢思宇*

单位：电子科技大学，郑州大学

研究背景

大气中二氧化碳含量的迅速增加引起了严重的环境问题，为了有效地缓解这一问题，使用电催化技术将二氧化碳转化为高附加值的能源材料具有重要意义。

本篇综述介绍了金属基电催化剂在将CO2电催化生成甲酸/甲酸酯方面的最新进展。首先，简要研究了电化学还原CO2的可能反应途径和机理。其次，回顾了作为高性能催化剂的不同类型的金属基电催化剂（均相催化剂和非均相催化剂）的新兴发展，以提高工艺效率和生产率。

本文为未来的研究提供了方向，有助于金属基材料用于电催化还原CO2的研究及实际应用。

文章简介

近日，来自电子科技大学的孙旭平教授与郑州大学的卢思宇教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A (影响因子：11.301)上发表题为：“Metal-based electrocatalytic conversion of CO2 to formic acid/formate”的观点文章。

该观点文章分析了电化学催化CO2生成甲酸/甲酸盐的研究，同时汇总了作为高性能催化剂的不同类型的金属基电催化剂（均相催化剂与非均相催化剂）的新兴进展及未来研究方向。

图1. 电化学还原CO2为HCOOH，CO和其他产品的可能反应途径。

本文要点

要点一：均相电催化剂

尽管均相催化剂被广泛使用，但是它们的缺点也不容忽视。首先，均相催化剂难以与液相反应产物分离。尤其是当贵金属配合物用作催化剂时，它们既不符合经济原理，也不利于下一步反应。其次，通过蒸馏，过滤或结晶回收均相催化剂能耗高且工艺复杂。

尽管均相催化剂的有诸多不足，但仍然是将电催化CO2生成甲酸/甲酸酯的强大动力：

(1)均相催化剂可形成活性氢络合物，从而降低HH键的离解能。同时, 其反应条件变得温和, 反应温度和压力大大降低;

(2) 考虑到它们具有特定的活性位点和相同的分子结构，从而具有较高的加氢选择性;

(3) 该催化剂具有确定的组成和分子结构，反应过程比较清晰，可作为催化反应的模型。

同时，在均相催化中，基于水性和非水体系对均相催化剂的影响突出了溶剂的重要性。通常，非水体系可增加CO2的溶解度并抑制氢释放反应（HER）。水性体系具有稳定的电导率和调节浓度的方便性，方便于各种电极催化剂及其结构的研究。不幸的是，氢气析出反应与水溶液中阴极上的CO2还原反应竞争。但是，水溶液中将CO2还原为甲酸仍然具有高选择性和法拉第效率。

要点二：非均相催化剂

与均相催化体系相比，非均相催化体系在催化反应工程中占主导地位。许多研究表明，某些贵金属电催化剂在将CO2还原为甲酸/甲酸酯方面起着至关重要的作用，但它们仍然面对高成本的问题。研究人员也在寻找替代的非贵金属电催化剂，包括Bi，Sn和其他选择性催化材料。

但是，存在许多不足之处：首先，多相催化体系存在表面不均一和内部扩散的缺点，选择性不如均相催化体系; 其次，受相间扩散活动的影响导致催化效果不理想; 第三，多相催化剂的大部分金属原子处于本体相中，表面上只有一部分金属原子可以发挥催化活性，导致金属原子的利用率低。

尽管多相催化体系存在许多难题，但纳米结构工程技术在多相催化体系中的应用仍显示出诱人的发展前景：

（1）纳米技术用于控制电催化剂的纳米尺寸以增加比表面积，从而增加活性位点的密度;

（2）与传统催化剂相比，纳米催化剂具有更多的表面晶格缺陷和更高的表面原子比;

（3）掺杂特定原子的金属可以调节金属基材料的电子结构，振动模式和机械性能，从而优化了电催化CO2为甲酸/甲酸盐的催化活性；

（4）在集电器上电沉积金属基催化剂的纳米结构，并调整实验参数（沉积电势，时间和其他元素）以控制产物的尺寸和形状，以实现最佳的电化学性能；

（5）为了减少副反应的发生，可以通过添加特殊的化学离子，分子，聚合物等对电极表面进行人工修饰，以控制电极表面上的电子转移速率来控制反应速度，从而提高选择性。

要点三：前瞻

将CO2从科学转化为工业应用中的甲酸/甲酸的努力仍十分有限，鉴于此，未来的研究应可以从以下几个方面开始：

（1）使用均相催化剂的关键点是它们的长期稳定性。不稳定是由缓慢的分解引起的，特别是考虑到在水性环境中因还原CO2而产生的反应性要求时。金属复合膜结构的使用可能会成为长期稳定CO2还原的关键因素，在这种结构中，可以通过控制局部环境来避免竞争性副反应；

（2）通过配体变化提高催化反应性是另一种策略。在催化位点处系统配体变化以增强反应性和提供稳定性的优点是使用分子配合物作为催化剂所固有的重要优点；

（3）产生高能本征晶格缺陷可以改善催化剂的性能，例如位错，台阶表面和边界；

（4）我们需要通过理论计算进一步探索CO2还原反应可能的反应途径和机理。目前，准确模拟催化剂表面，电解质和电场影响的复杂现实仍然是挑战。理论计算的未来应进一步提高其预测能力，并为催化剂的设计提供科学的理论指导。

文章链接

Metal-based electrocatalytic conversion of CO2 to formic acid/formate

https://doi.org/10.1039/D0TA08393C

通讯作者介绍

孙旭平教授，博士

2006年毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位。2006-2009年期间先后在康斯坦茨大学、多伦多大学和普渡大学从事博士后研究工作，2010年1月加入长春应化所，2015年11月全职到四川大学工作，2018年4月加入电子科技大学。获中科院院长优秀奖（2004）、中科院优秀博士学位论文（2007）、全国百篇优秀博士学位论文（2008）、中科院优秀导师奖（2015）；入选英国皇家化学会高被引作者（2017 & 2018）、化学领域中国高被引学者（2018）、化学和材料领域全球高被引科学家（2018 & 2019）、英国皇家化学学会会士（2020）。发表论文480余篇，总引用39000余次，H指数104。他的研究主要集中于功能纳米材料结构的合理设计，并将其应用于电化学中的能量转换与储存、传感与环境。

卢思宇教授

主要从事光电纳米晶的合成和性质研究：（1）光电纳米晶（碳点、半导体等）设计制备、性质及其杂化体系在显示、能源应用研究；（2）催化、超导结构预测等第一性原理计算研究。2017年迄今在Adv. Mater.(3), Angew. Chem. Int. Edit.(4), Adv. Sci.(2), Nat. Commum.(1), Nano Energy(1)等期刊共发表文章53篇，第一作者和通讯作者33篇，论文他引超过1400次，h因子18；9篇论文曾入选ESI高被引论文。

第一作者介绍

丁鹏，硕士研究生

2018年获得哈尔滨工业大学学士学位，硕士研究生就读于郑州大学（卢思宇教授课题组），随后在电子科技大学孙旭平教授课题组联合培养。以第一作者身份在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表一篇综述论文。

课题组介绍

本课题组成立于2018年，现有30余名小组成员。具体研究内容包括：

（1）（光）电化学固氮

（2）氢能开发与利用

（3）纳米分析与传感

（4）材料理论计算与设计

（5）金属离子&金属-气体电池

（6）有机电合成