01【导读】
电催化 CO2 还原反应 (CO2RR) 为缓解全球变暖和能源危机提供了一种有前景的方法。在部署这项技术的过程中，人们付出了巨大的努力来设计卓越的电催化剂和电解系统。虽然对电流密度和法拉第效率等 CO2RR 的性能指标进行了深入研究，但作为 CO2RR 工业实施和经济可行性的指导指标，能源效率 (EE) 应该值得更多考虑。
02【成果掠影】
近日，湖南大学黄宏文教授和佐治亚理工学院林志群教授等发表了评述性论文，旨在全面了解 CO2RR 的全电池 EE。首先，作者介绍了在 CO2RR 中实现高 EE 的基本原则。随后，作者详细阐述了最近动态提高 EE 的最先进策略，重点是电催化剂和系统设计，以降低电池电压和提高法拉第效率。特别是新兴的集成电解，其中传统的阳极析氧反应 (OER) 被其他增值氧化反应取代，为提高 CO2RR 的 EE 和经济效益提供了巨大的希望。最后，作者概述了这一快速发展领域的未来研究机会。
相关综述文章以“Design strategies for markedly enhancing energy efficiency in the electrocatalytic CO2 reduction reaction”为题发表在Energy Environ. Sci.上。
电催化 CO2RR 对各种 C1-C3 产物的反应途径概述
03【核心内容】
1.作者全面了解了 CO2RR 的 EE，这是其工业部署和经济可行性的关键性能目标。通过重点介绍降低电池电压和提高法拉第效率的电催化剂和系统设计，介绍了提高全电池 EE 的基本原理和最新的最新策略。值得注意的是，突出了传统阳极OER被其他增值氧化替代的集成电解，极大地希望提高CO2转化的能源效率和系统的经济效益。作者讨论了近年来提高全电池 EE 的代表性策略，其中用于 CO/甲酸盐生产的 EE 比 C2+ 产品得到了更好的发展。需要指出的是，整体 EE 是多种因素的结果，因此在设计全电池系统时应考虑不同部分之间的权衡。然而，目前 CO2RR 研究中对全电池 EE 的准确评估仍然相对不足，因此需要进一步关注以激发 CO2RR 的商业实施。挑战和未来机遇概述如下：
2.(i)设计稳健的电催化剂。电催化剂在激活 CO2 分子和调整还原路径方面发挥着核心作用，从而能够获得具有高 EE 的理想产品。与 CO 和甲酸盐相比，CO2 转化为碳氢化合物和 C2+ 产物的转化效率（通常是在含铜催化剂上）仍然不能令人满意，需要通过提高法拉第效率和降低过电位来进一步优化。鼓励将更多的精力集中在原位实验研究与理论计算相结合，以揭示深入的催化机理和实时的结构-性能关系，从而为设计先进的C2+催化剂提供科学指导。此外，对于工业电解来说，催化剂的稳定性也很重要，应该达到数千小时，同时具有理想的选择性和 EE。不幸的是，目前 CO2RR 催化剂的最长持续时间仅限于数百小时。为了解决这个问题，尤其是在含铜催化剂上，对催化剂降解的机理理解至关重要，其中通过工作条件下的操作技术对动态演化进行系统研究是一项重要的工作。例如加强催化剂内部的原子相互作用、引入保护层和增强催化剂-载体相互作用，将有助于稳定性问题。通过采用独特的技术（例如微流体合成），利用新方法以低成本大规模生产用于工业应用的催化剂也很有意义。除了含金属催化剂，进一步鼓励开发廉价、环保和高性能的无金属催化剂（如碳纳米材料、有机催化剂等）。
(ii)优化电解系统。电解系统的设计对于在 CO2RR 技术中实现高 EE 也很重要。例如，通过消除质量传输限制，在基于 GDE 的反应器中已经达到了商业相关的电流密度。具有零间隙功能的 MEA 在长期稳定性和系统 EE 方面表现出色。然而，诸如 GDE 的工业规模制造和运行稳定性、水化管理和 CO2 交叉等挑战仍有待克服。在微观方面，精心设计的反应界面（电极-反应物-电解质）和局部微环境将有利于控制 CO2 电解和优化性能。此外，BPM 通过在阳极创造一个独特的环境来保持阳极 OER 的轻松动力学，从而实现相对较高和稳定的 EE，而内部 WDR 动力学需要改进。通过使用两步策略，即电催化 CO2 还原为 CO（技术成熟并在高温固体氧化物电解槽中进行），然后将 CO 转化为 C2+ 化合物，由于抑制作用，可以节省能源需求一步 CO2RR 中碳酸盐的形成和副产物。从 3D 独立式集成催化剂电极、新型电解质、高性能膜和强大的电解槽等方面，进一步优化 CO2RR 系统的尝试对于在商业相关的电流密度下增加全电池 EE 具有吸引力，其中强烈建议引入化学工程领域的概念和装置。
(iii)发展综合电解。新兴的集成电解通过用其他有价值的氧化反应代替传统的阳极 OER，在降低能源消耗、提高 CO2 转化的能源利用效率和经济效益方面展示了其前景。选择替代阳极氧化应该是深思熟虑的，综合评估热力学势、过势、原料丰度、产品价值和技术可行性。寻求新的替代品仍然至关重要，因为大多数报告的案例不能完全满足这些评估标准。从行业角度来看，全球二氧化碳排放量估计为每年 14.7 Gt。在这种情况下，将市场规模部分匹配 CO2 排放（每年至少 >100 Mt）的那些大宗化学品的氧化纳入 CO2RR 系统可能更可取。这些可能包括甲烷（电氧化成甲醇、甲酸盐等）、盐水（成卤素）和甲醇（成甲醛/甲酸盐）。废物降解可能值得追求，而整合的相关技术可行性需要进一步验证。另一方面，为适应集成电解，应重新设计 CO2RR 系统，考虑阳极催化剂（廉价、稳定、具有良好的活性和选择性）、电解槽结构和产品分离。除了常规的集成电解，新出现的生物阳极辅助 CO2RR 技术也值得关注，以提高 EE 和产值，其中微生物或“电活性细菌”氧化有机物质并提供电子驱动阴极还原。为了降低二氧化碳转化的能耗，集成电解是一种非常有前景的降低电池电压的策略。值得注意的是，提高 EE 并不是这里唯一的目标，因为阳极反应物应该很容易获得，并且产品必须对工业和社会有价值。
(iv)将电解与其他技术相结合。尽管电催化 CO2RR 在 CO2 中和和转化为有用的化学品方面显示出巨大的潜力，但由于电解技术和反应器设计的局限性，它面临着一些挑战。例如，迄今为止，单程 CO2 的转化率非常低，通常<20%，具体取决于操作条件，而非均相热催化催化的转化率可能要高得多。电催化与热催化的结合可能是显着提高提高CO2转化率。此外，作为外部参数，温度影响吉布斯自由能和表观活化能，从而分别改变热力学势和动力学过势来控制CO2RR的EE。例如，高温固体氧化物电解槽能够在较低的电池电压和高电流密度下减少二氧化碳。由于在较高温度下较高的离子电导率，还可以减少欧姆损耗，以增加全电池 EE。此外，结合光催化是促进电子转移过程和反应动力学以提高EE的创新选择。在这种情况下，太阳能直接参与了二氧化碳的转化过程，也使得整个系统更类似于天然可再生能源。展望未来，可以通过将外部条件（例如，磁场、生物技术）纳入 CO2RR 进行更多研究，以制作具有特殊功能响应性的有趣电解系统，从而在商业相关电流密度下进一步提高CO2RR全电池 EE并加强其经济可行性。
作者简介
黄宏文，男，1986年10月出生于湖北省黄冈市。2015年在浙江大学材料科学与工程学院获工学博士学位，师从叶志镇院士。期间赴美国佐治亚理工学院进行博士联合培养项目，师从夏幼南教授。现任湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，湖湘青年英才、湖南省优青、湖南大学教师新人奖获得者。目前主要从事高效金属能源催化剂的研究，尤其关注氢燃料电池催化剂的开发。至今发表SCI学术论文60余篇，其中包括在J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），Nano Lett.（4篇），Adv. Mater.（1篇）, ACS Nano（1篇），Adv. Energy Mater.（1篇），Adv. Funct. Mater.（2篇）等国际***学术期刊发表一作/通讯论文39篇；已授权***发明专利8项；承担科技部***重点研发计划青年科学家项目、***自然科学基金联合基金、湖湘青年英才、湖南省优青等研究项目10项；担任纳米领域重要期刊Nano Research的青年编委；担任***自然科学基金评审专家以及J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等***期刊的审稿人。
文献链接：Design strategies for markedly enhancing energy efficiency in the electrocatalytic CO2 reduction reaction. DOI https://doi.org/10.1039/D2EE00472K.