Electrochemical CO_(2)RR to C^(2+)products:A vision of dynamic surfaces of Cu-based catalysts  

电催化二氧化碳还原转化到多碳产物:铜基催化剂动态表面的视角

作　　者：Jinxin Wang Jiaqi Zhang Chen Chen 王金鑫;张嘉奇;陈晨(清华大学化学系,先进稀土材料工程研究中心,北京100084)

机构地区：[1]Engineering Research Center of Advanced Rare Earth Materials,Department of Chemistry,Tsinghua University,Beijing 100084,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2025年第1期83-102,共20页催化学报(英文)

基　　金：国家重点研发计划(2023YFB4005100);国家自然科学基金(21925202,U22B2071);西南联合研究生院云南省科技项目(202302A0370017);国际气候变化与碳中和联合任务。

摘　　要：Electrochemical reduction of CO_(2)(CO_(2)RR)to form high-energy-density and high-value-added multicarbon products has attracted much attention.Selective reduction of CO_(2)to C^(2+)products face the problems of low reaction rate,complex mechanism and low selectivity.Currently,except for a few examples,copper-based catalysts are the only option capable of achieving efficient generation of C^(2+)products.However,the continuous dynamic reconstruction of the catalyst causes great difficulty in understanding the structure-performance relationship of CO_(2)RR.In this review,we first discuss the mechanism of C^(2+)product generation.The structural factors promoting C^(2+)product generation are outlined,and the dynamic evolution of these structural factors is discussed.Furthermore,the effects of electrolyte and electrolysis conditions are reviewed in a vision of dynamic surface.Finally,further exploration of the reconstruction mechanism of Cu-based catalysts and the application of emerging robotic AI chemists are discussed.现代社会对天然化石燃料的持续大量消耗导致过量的CO_(2)排放,进而引发了气候变化、环境恶化和能源危机.在此背景下,电化学CO_(2)还原(CO_(2)R)能将间歇性的电能转化为化学燃料和其他增值产品,不仅为清洁能源的利用开辟了新的道路,也有希望实现碳循环.目前,除了少数特殊情况外,铜基催化剂是能够实现高效产生多碳产物的首选催化剂.在CO_(2)还原领域,对铜基材料已进行了数十年的研究,但仍然存在诸多争议点例如,测试过程中存在重复性较差,铜基材料的表面敏感性高,电解质添加剂和碱金属的阳离子效应复杂以及微环境调控难度大等问题.这是因为在电催化条件下,催化剂表面存在持续的动态变化,这也为建立铜基催化剂的构效关系带来了困难.铜基材料的重构虽然可能导致催化剂失活和选择性降低,但同时也可能产生新的催化活性位点,并形成动态表面/界面这表明重构不仅仅是一种失活模式,也可能是铜基材料独特催化活性的内在原因.随着表征技术和理论研究的不断深入,可以通过多种证据交叉验证,构建出完整且动态的构效关系,从而从动态表面的视角重新诠释CO_(2)RR过程中铜基材料的诸多特性与未解之谜.本文首先简单介绍了各类多碳产物的生成机理与C-C偶联理论.以静态表面模型的视角概括了促进多碳产物生成的催化剂结构因素,并讨论了具有不同晶面、化学态和配位数的铜催化剂的产物选择性:特定的晶面的暴露、一价铜的保留和低配位铜的丰富度等因素能促进多碳产物的形成.随后,基于先进原位表征技术的发展与应用,讨论了各种重构现象和结构因素(晶面、化学态、配位环境)的动态变化.这意味着以往静态表面模型的视角可能带来误解,无法建立准确的构效关系.因此需要更深入地探究动态表面.随着原位表征技术的不断深入发展,研究者可�

关 键 词：ELECTROCATALYSIS CO_(2)RR Cu-based catalyst RECONSTRUCTION Multicarbon product Structural evolution 

分 类 号：O64[理学—物理化学]