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汪磊教授AM综述：催化剂动态变化及反应微环境对CO2电化学还原的影响

邃瞳科学云

2021-10-06

导读：本文着重探讨了CO2电化学还原中催化剂动态变化和反应微环境效应，揭示其对 CO2还原性能的调控影响，为电化学还原CO2的催化剂和反应器的设计提供了理论依据

文章信息

催化剂动态变化及反应环境对CO₂电化学还原的影响

第一作者：陈佳义

通讯作者：汪磊*

单位：新加坡国立大学

研究背景

近年来，二氧化碳(CO₂)的电化学还原成为一个重要的研究课题，因其可以储备间歇性的可再生能源，同时有助于缓解迫切的CO₂排放问题。电化学还原CO₂由于其复杂的反应过程，及其对催化剂结构(化学状态、成分、晶面和形貌结构等) 动态变化的异常敏感性，以及对电极/电解质界面上的非催化剂组分的敏感性，即反应微环境的敏感性，使得电化学还原 CO₂的主要难点在于如何有效控制反应过程。

迄今为止，对上述催化剂-动态变化/反应环境与 CO₂还原性能之间的相互作用进行全面分析的还不多见。本文根据近年来有关电化学还原CO₂的研究报道，对催化过程中催化剂的动态变化/反应环境进行了讨论，以及上述动态变化/反应微环境与它们对催化性能的相关影响。

最后，对今后的研究提出了一些展望，目的是了解催化剂动态变化和反应环境对产物影响的起源，从而更好地控制二氧化碳的减排。

文章简介

本文中，来自新加坡国立大学的汪磊教授，在国际知名期刊Advanced Materials发表题为“Effects of the Catalyst Dynamic Changes and Influence of the Reaction Environment on the Performance of Electrochemical CO₂ Reduction”的综述文章。

本文着重探讨了CO₂电化学还原中催化剂动态变化和反应微环境效应，揭示其对 CO₂还原性能的调控影响，为电化学还原CO₂的催化剂和反应器的设计提供了理论依据。

图1. CO₂电化学反应中的阴极电催化剂变化及反应微环境效应

文章要点

要点一：阴极催化剂形貌结构变化以及其对二氧化碳还原性能影响

阴极催化剂的形貌结构被证明能紧密影响CO₂还原的选择性、活性和耐久性。催化剂表面粗糙度，催化剂表面电子结构，表面原子配位，晶面结构，局部 pH 值，和催化剂表面的传质过程，均可通过改变催化剂的形态直接改变。

在CO₂电化学还原的反应过程中，高负电位和强表面吸附作用都会导致催化剂的表面重构和催化剂形貌结构的显著变化，从而影响反应过程和最终性能。

因此，本文在这一部分中着重介绍了最近的关于反应中催化剂形貌变化的研究，并讨论催化剂形貌动态变化与 CO₂电化学还原催化性能之间的相互关系。

要点二：阴极催化剂化学状态的动态变化

CO₂电化学还原催化剂的化学状态随催化反应发生变化，从而导致活性中心的电子结构发生重大变化，进而影响反应的选择性和活性。Cu、Zn、Sn、In等氧化物衍生金属催化剂对CO₂电化学还原具有优异的催化性能。尤其是 oxide-derived Cu 对多碳产物具有较高的选择性。

然而，oxide-derived Cu中氧的作用仍然没有定论。在这一部分，本文讨论了铜基和非铜基催化剂在 CO2电化学还原过程中化学状态的动态变化及其对催化作用的影响的研究进展。

要点三：反应环境效应对CO₂电化学还原的影响

CO₂电化学还原对其反应环境十分敏感。因此，除阴极催化剂外，其他部分和因素(如电解质、膜、 GDE结构、阳极催化剂材料以及反应的压力和温度)也能影响CO₂还原的催化性能。在这一部分中，该综述讨论这些组分最近报道的动态变化及其对CO₂电催化性能的相应影响。

要点四：前瞻

在CO₂电化学还原过程中，阴极催化剂和其他部分均可能发生动态变化，这些变化通常是相互关联的。例如，催化剂表面可能发生迅速的形貌变化(表面重组、粗糙化等)。而不同的变量，包括阴极电位、电流、吸附质和电解质等，都可能引起上述形态的变化。

作者相信未来的研究工作将着眼于通过最先进的原位表面敏感测量技术 (如原位X射线吸收光谱，液相透射电镜，扫描隧道显微镜) 结合实时产物分析来了解这些表面动力学背后的机制，这将有助于揭示设计活性和选择性 CO₂电化学还原催化剂的关键因素。

文章链接

Effects of the Catalyst Dynamic Changes and Influence of the Reaction Environment on the Performance of Electrochemical CO₂ Reduction

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202103900

通讯作者简介

汪磊教授。

于2015年在KTH Royal Institute of Technology获得博士学位，研究侧重于基于分子催化剂的水氧化反应。获得博士学位后，于Uppsala University主导了一项关于光诱导氢演化催化剂的研究工作。2016年，作为Wallenberg-Stanford postdoc fellow加入 Stanford University，致力于二氧化碳的电化学还原研究工作。2020年底开始在National University of Singapore任职，是NUS Green Energy项目的成员。目前的研究重点是二氧化碳电化学还原催化剂设计和反应机理探究。

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