二氧化碳电还原的电解质研究进展

基于可再生能源电力将二氧化碳电化学还原（CO₂RR）为高价值化学品是实现二氧化碳资源化利用的有效途径。催化剂和电解质组分对界面微环境的调控共同决定了CO₂RR的催化性能。尽管在高性能催化剂的设计及制备方面已取得了实质性进展,但电解质组分对界面局部催化环境的影响,以及对CO₂RR反应过程的优化机理还未得到充分认识。综述了电解质组分对CO₂RR界面微环境调控的研究进展,重点围绕电解质中阳离子、阴离子、溶剂、配体以及添加剂等开展讨论,包括电解质组分对界面化学环境的影响,如界面电场、局部pH、偶极-场作用和界面水结构等,揭示电解质调控的反应机理,以及在改善催化性能中的重要作用。本文从电解质调控角度出发,为设计高催化性能电解体系提供新的研究思路,推动CO₂RR领域发展。     

铜基硫族化合物电催化二氧化碳还原制甲酸盐的研究进展

因电催化二氧化碳还原反应（CO₂ reduction reaction,CO₂RR）助于降低大气二氧化碳浓度缓解环境问题,还可以生产高附加值化学品,引起了广泛关注。甲酸盐作为二氧化碳电还原的重要产物之一,在化工、燃料电池等领域广泛应用。铜基硫族化合物（Cu_xS）由于价格便宜、催化性能优异等优点有着广阔的应用前景,基于此研究者们在纳米结构调控、电解液优化和反应气组分控制等方面展开了大量研究以提升其在电催化CO₂RR中的催化活性和甲酸盐产物选择性。主要从催化剂结构设计、催化影响要素、催化反应机理等多角度综述了近期Cu_xS在电催化CO₂RR领域的研究进展,提出了Cu_xS在CO₂RR领域中主要面临的挑战;展望了Cu_xS族催化剂作为高活性、高稳定性二氧化碳电还原催化剂的发展前景。     

电化学耦合阴极二氧化碳还原与阳极氧化合成

电催化二氧化碳还原（CO₂RR）利用电场作用在温和的条件下将二氧化碳转化为高值化学品。将CO₂RR与热力学电势较低的阳极反应耦合,可以降低槽电压,在阳极和阴极同时生成高值化学品,提高能量效率。本文介绍了CO₂RR与氧化合成反应耦合策略,探究了电解池、离子交换膜等电解装置对CO₂RR耦合电催化性能的影响,归纳了常用于CO₂RR耦合氧化合成体系中阴阳极电催化剂的种类,重点综述了CO₂RR与氯碱过程、醇类和含氮有机物氧化等典型阳极氧化合成反应耦合的最新进展。最后,针对目前存在的阳极催化剂成本高、全电解阳极产物的分离检测困难、反应物转化率低等问题,提出开发更加高效、稳定和低成本的阳极电催化剂、升级电极结构和电解装置以及拓展新型CO₂RR耦合体系等是未来的研究方向。     

铜基催化剂电还原二氧化碳选择性的调控策略

在水系电解液中利用电能直接将CO₂还原成基础化学品为CO₂资源化利用提供了一种绿色可行的策略。铜是唯一能够高效地将CO₂还原成C2+产物的金属催化剂，然而其催化产物多达16种，产物的多样性严重增加了后期产物分离的成本并大幅降低了整个电催化二氧化碳还原(eCO₂RR)系统的能量转换效率，是eCO₂RR走向工业化生产的一个重要瓶颈，因此对铜基催化剂进行合理的调控，以提高其对单一产物的选择性一直是研究的热点问题。经过30余年的发展，铜基催化剂的研究已经取得了巨大的进展，回溯近期铜基催化剂电催化CO₂还原领域的研究历程，本文综述了电催化二氧化碳还原的反应原理、反应路径和针对不同产物的调控策略，着重总结了提高铜基催化剂对单一产物选择性的设计策略和设计方法，最后展望了铜基催化剂面临的挑战和未来的发展方向。     

电催化二氧化碳还原用铜基催化剂设计策略

随着全球经济增长,对能源需求不断攀升,进而推动了能源的开发与利用,不可避免导致CO₂排放量的持续上升。为有效应对这一环境挑战,电催化CO₂还原(CO₂RR)技术应运而生,并迅速成为研究热点。该技术不仅可将CO₂转换为燃料和化学品,而且有助于实现可再生能源储存。在众多催化剂中,铜基催化剂因其能高效将CO₂直接转化为高价值多碳化学品(如乙烯和乙醇)而受到关注。近年来,铜基CO₂RR催化剂优化设计进展显著,主要集中在提高催化活性、选择性和稳定性上。重点综述了近年来电催化CO₂RR用铜基催化剂的优化设计策略研究进展。从调控催化活性和选择性以及稳定性2方面,分别讨论了晶面工程、合金化处理、铜氧化态调节、催化剂表面功能化和缺陷工程等代表性调控策略的研究进展,探讨了电催化剂的核心参数(组成、微观结构、形貌、尺寸等)对催化剂性能的协同效应。最后对未来电催化CO₂RR技术的发展前景进行展望,并分析当前面临的挑战。     

电化学二氧化碳还原制甲酸催化剂的研究进展

随着日益增长的能源需求,人类社会对于传统碳基化石能源过度依赖,不仅加速了地球上有限能源储备的消耗,还导致大气中二氧化碳(CO₂)不断累积。如何对二氧化碳进行可持续的捕获再利用,实现高效的零碳网络循环,已成为人类亟需解决的重大挑战之一。近年来,使用绿色可持续电力的电化学二氧化碳还原反应(CO₂RR)生产增值化学品成为研究热点。本文首先介绍了CO₂RR的基本电化学反应原理;然后总结了电化学还原CO₂制备甲酸/甲酸盐的主要金属基催化剂,着重介绍了Bi、Sn、In三类金属基催化剂的设计调控策略;进一步概括了电化学相关的原位表征手段,分别介绍了原位光谱技术和原位X射线表征技术;最后对电催化二氧化碳还原研究领域的未来发展进行了展望。     

铟掺杂二硫化锡催化剂制备及其电催化性能研究

电催化二氧化碳减排(CO₂RR)通过将可再生能源转化为增值燃料和化学品,是实现可持续能源经济和全球气候变化目标最有潜力的途径之一。采用简单易行的水热法合成了不同掺杂比例的In-SnS₂催化剂,对催化剂结构进行表征以及测试电催化CO₂还原性能,对比了不同掺杂量In-SnS₂催化剂对CO₂RR的影响。结果表明,元素In的掺杂调节了Sn元素的电子结构,促进CO₂活化过程;掺杂量也是影响催化剂电化学活性的重要因素之一,其中原子含量为3%的In-SnS₂催化剂表现出最佳的电化学活性,在-1.2 V vs.RHE下该电极电催化CO₂为甲酸盐的法拉第效率(FE)为95.48%,且在较宽的电压范围内甲酸盐FE均在80%以上。这项工作为电催化还原CO₂领域中硫化物催化剂的开发提供了新思路。     

CO2高值化利用：CO2加氢制甲醇催化剂研究进展

二氧化碳（CO₂）催化加氢制备甲醇等重要化工原料是一项具有前景的碳循环利用技术。目前,该技术的核心挑战是开发出高活性、高选择性和高稳定性的CO₂加氢催化剂。相比于传统的铜基催化剂,铟基催化剂有较高的甲醇选择性和高温稳定性,近年来受到学术界的关注。然而,目前人们对In基催化剂CO₂加氢反应机理和催化本质等科学问题的认知尚未形成统一理论。本综述总结了催化剂制备、反应机理研究与热力学分析、催化剂结构表征方法等进展。针对目前存在的单程转化率不高、催化剂稳定性不足等问题,提出未来研究方向包括引入新的助剂或活性组分,设计特殊结构的催化剂以及耦合分子筛等。     

MOFs材料在CO2加氢制甲醇催化剂中的应用

作为最主要的温室气体，CO₂的大量排放引发了全球变暖等一系列环境问题。利用CO₂加氢合成甲醇是实现CO₂循环利用、解决环境问题的切实可行的途径。开发高效、高选择性的催化剂是实现CO₂加氢制甲醇工业化应用的关键。近年来，金属有机骨架(MOFs)材料由于其结构多样性、设计灵活性的特点在催化领域引起了广泛关注，MOFs材料应用于CO₂加氢制甲醇催化剂的合成，可以有效解决目前CO₂加氢制甲醇催化剂存在的反应选择性低、CO₂转化率低、合成速率低等一系列问题，提高催化性能。综述了CO₂加氢制甲醇MOFs材料催化剂的研究进展，论述了MOFs材料应用于CO₂加氢制甲醇催化剂的优势及合成方法，评价了MOFs材料对不同的金属基催化剂的改善作用及存在的不足，并对其应用的挑战和前景进行了讨论。     

助剂二氧化硅对CO2加氢制备甲醇CuO-ZnO-Al2O3-ZrO2催化剂性能的影响

采用共沉淀法制备了一系列CuO-ZnO-Al₂O₃-ZrO₂(CZAZ)催化剂,用于二氧化碳加氢合成甲醇。通过加入少量的助剂二氧化硅得到了一系列CZAZ/SiO₂改性催化剂。采用XRD、BET、H₂-TPR、NH₃-TPD以及CO₂-TPD等技术进行表征,研究了助剂二氧化硅含量对催化剂的物理化学性质以及组织结构的影响。结果表明,助剂二氧化硅的含量对催化剂的组织结构具有较大的影响。同时评价了该组催化剂参与二氧化碳加氢合成甲醇反应的催化性能。测试结果表明,采用助剂二氧化硅质量分数为4%的改性催化剂,表现出较为优良的催化活性。助剂二氧化硅促进了活性组分氧化铜的分散,并且经过二氧化硅改性的CZAZ催化剂具有更大的比表面积,这些因素都对该催化剂在二氧化碳加氢合成甲醇方面的良好表现起到重要作用。     

Ionic liquids for CO2 electrochemical reduction

Electrochemical reduction of CO₂ is a novel research field towards a CO₂-neutral global economy and combating fast accelerating and disastrous climate changes while finding new solutions to store renewable energy in value-added chemicals and fuels. Ionic liquids (ILs), as medium and catalysts (or supporting part of catalysts) have been given wide attention in the electrochemical CO₂ reduction reaction (CO₂RR) due to their unique advantages in lowering overpotential and improving the product selectivity, as well as their designable and tunable properties. In this review, we have summarized the recent progress of CO₂ electro-reduction in IL-based electrolytes to produce higher-value chemicals. We then have highlighted the unique enhancing effect of ILs on CO₂RR as templates, precursors, and surface functional moieties of electrocatalytic materials. Finally, computational chemistry tools utilized to understand how the ILs facilitate the CO₂RR or to propose the reaction mechanisms, generated intermediates and products have been discussed.     

Structural reconstruction of Sn-based metal-organic frameworks for efficient electrochemical CO2 reduction to formate

MOF-based materials have been widely explored in electrochemical CO₂ reduction reactions for the production of valuable chemicals. Understanding the reconstruction of those catalysts under working conditions is crucial for the identification of active sites and clarification of reaction mechanism. Herein, a series of six N coordinated Sn-based metal-organic frameworks (Sn-N6-MOFs) are newly developed for electrochemical CO₂ reduction (CO₂RR). 2% Sn-N6-MOF achieves the optimal catalytic performance with a formate Faradaic efficiency of ~85% and a current density of 23 mA·cm^-2 at -1.23 V vs. RHE. In-situ Raman results combined with ex-situ ¹¹⁹Sn Mössbauer measurements reveal the structural reconstruction of Sn-N6-MOFs during CO₂RR, generating tin nanoclusters as the real active sites for CO₂ electroreduction to HCOOH.     

二氧化碳甲烷化催化剂的研究进展

CO₂催化加氢甲烷化反应是温室气体CO₂资源化利用的有效途径之一。本文回顾了CO₂催化加氢甲烷化催化剂的研究现状, 其中Ni基催化剂是研究最为广泛的CO₂甲烷化催化剂。重点介绍了Al₂O₃、SiO₂和La₂O₃载体及CeO₂和La₂O₃助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响, 阐述了载体的结构、电子性能、化学性能和助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响。结合几种非Ni基CO₂甲烷化催化剂的对比研究发现, 具有有序介孔结构的Co基催化剂也表现出了优越的CO₂甲烷化性能。由此表明, 催化剂新颖的结构也是影响CO₂甲烷化性能的重要因素, 通过催化剂结构、组成等的调变, 能实现CO₂低温高效甲烷化, 为CO₂甲烷化工业化进程奠定基础。     

二氧化碳电化学还原反应器的研究进展

电化学还原二氧化碳（CO₂）可实现CO₂的资源化转化，是实现自然界“碳循环”、缓解因CO₂过度排放所引起诸多环境问题的关键技术。本文综述了CO₂电还原反应器的研究发展现状，并依据电解质的不同对比分析了各反应器的结构、传质特征及与之匹配阴极的CO₂转化活性与选择性。研究指出膜电极构型反应器是当前CO₂电还原反应器发展的主要方向，其电解质材料的优选不仅决定于其离子选择性与电导率，还需考虑电催化材料的性质与膜电极效率。最后，提出膜电极构型反应器内的过程强化技术与自支撑结构的阴极设计将成为CO₂还原研究发展的新方向。     

光电催化二氧化碳能源化利用研究进展

CO₂能源化利用面临的主要问题是能耗问题和氢源问题。光电催化实现CO₂的能源化利用的核心为利用光催化剂的催化活性,光激发条件下产生光电子,减少外界能量输入,同时利用电催化活性提高CO₂还原产物的选择性和可控性。文章主要从光电催化的优势、反应机理、研究现状、催化剂、最新研究成果等方面综述了光电催化CO₂能源化利用的研究进展。具体阐述了光电催化体系的组成、CO₂的电子还原过程及目前存在的问题,重点探讨了光电体系的电极材料组成、电解液组分以及常见的光电催化剂类型对整个光电催化体系催化性能的影响。此外,指出了当前光电催化CO₂能源化利用方面存在的不足：转化效率低、产物选择性差等。并对光电催化实现CO₂能源化利用的研究重点,即高效光电催化剂的开发、催化过程动力学反应机理进行了展望。     

卤族元素对Ag电极电催化还原CO2的影响

通过在电解液中加入卤族元素，系统地研究了卤族元素对于CO的选择性和反应速率的影响。结果表明，卤族元素对于CO₂的还原反应具有促进作用，并按照Cl^- < Br^- < I^-的顺序递增。Cl^-和Br^-对CO₂还原反应和析氢反应都具有催化作用，而I^-的存在加快了CO的生成，对析氢反应没有明显影响。在过电势为590 mV时，CO在有I-溶液中的选择性是无I^-溶液的28倍。经过表征和分析后得出，I^-具有较强的吸附性能，通过化学吸附使催化剂表面形貌发生改变，CO的活性位增多，加快其反应速率。同时，I^-在反应过程中易向反应表面传输负电荷，增加与碳原子的相互作用，从而提高CO的生成速率。