和現(xiàn)代工業(yè)化過程中化石燃料的工業(yè)精煉過程相比，電催化合成能夠用于各種可再生能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)角度。電催化合成有望在去化石燃料化、脫碳、為化學(xué)工業(yè)提供新選擇等實(shí)現(xiàn)發(fā)展。實(shí)現(xiàn)電化學(xué)精煉的關(guān)鍵之處在于，優(yōu)化用于切斷H、C、O、N原子之間的化學(xué)鍵的電催化劑，但是和研究較為深入的反應(yīng)（ORR，水分解等）相比而言，材料設(shè)計的相關(guān)機(jī)理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜步驟電催化反應(yīng)還未得到深入理解和解決。

    有鑒于此，阿德萊德大學(xué)喬世璋等綜述報道了對異相電催化劑、相關(guān)基礎(chǔ)電催化反應(yīng)進(jìn)行簡介和完整的展示，隨后將此類發(fā)現(xiàn)用于設(shè)計材料、對反應(yīng)中間體和反應(yīng)過程進(jìn)行設(shè)計和控制，為實(shí)現(xiàn)提高電催化領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望和總結(jié)。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)1. 和傳統(tǒng)的化石能源精煉、化學(xué)工業(yè)相比，電催化技術(shù)具有廣泛優(yōu)勢和多種用途，這是因?yàn)殡姶呋椒ǖ幕钚院彤a(chǎn)物選擇性都較高，而且能夠通過催化劑、電解液、界面、電勢等進(jìn)行調(diào)控，同時解決了化石燃料使用、CO₂釋放、有毒試劑等問題。電催化分解水和CO₂還原已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，但是電催化反應(yīng)、電催化劑、應(yīng)用等角度仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。

要點(diǎn)2. 展示了通過目標(biāo)化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化、關(guān)鍵中間體物種角度進(jìn)行討論，對C-N鍵偶聯(lián)、選擇性加氫、級聯(lián)催化等電催化反應(yīng)的溶液相異相催化反應(yīng)進(jìn)行設(shè)計。這種“自下而上”的設(shè)計方法能夠促進(jìn)電催化工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)通過可再生能源進(jìn)行電催化合成重要化學(xué)品。此外，建立了材料、反應(yīng)機(jī)理之間從簡單反應(yīng)到復(fù)雜反應(yīng)之間的區(qū)別和聯(lián)系，從關(guān)鍵中間體吸附、活化-吸附能火山曲線、標(biāo)度關(guān)系等角度討論。

要點(diǎn)3. 為了有效的將反應(yīng)中間體物種、電催化反應(yīng)過程進(jìn)行控制，發(fā)展電子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)位點(diǎn)具有特點(diǎn)的電催化劑（高熵材料、合金、納米金屬-基底復(fù)合結(jié)構(gòu)）非常關(guān)鍵，引入革新性材料工程化自由度（人工酶、納米限域、通過分子增強(qiáng)催化活性、氫鍵網(wǎng)絡(luò)、界面工程化）等。對于復(fù)雜反應(yīng)中間體物種、反應(yīng)過程，除了材料之外的其他角度（過電勢、催化劑性質(zhì)、電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)、催化劑-電解液界面、電解液/溶劑效應(yīng)、傳質(zhì)過程）都能夠影響催化反應(yīng)活性和反應(yīng)選擇性。通過目前發(fā)展的一些原位表征方法（原位ATR-IR、原位XRD、原位XPS、原位XAS、原位TEM等）有望顯著改善對真實(shí)的反應(yīng)位點(diǎn)、反應(yīng)關(guān)鍵中間體物種進(jìn)行表征。此外，目前出現(xiàn)的operando計算模型有助于深入理解異相電催化反應(yīng)過程中除了反應(yīng)活化能、熱力學(xué)等問題之外的問題進(jìn)行理解，比如過電勢相關(guān)活化能、中間體覆蓋度/pH值效應(yīng)/吸附物-吸附物之間的作用。

要點(diǎn)4. 作者認(rèn)為，通過operando計算、operando表征技術(shù)結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵性影響反應(yīng)因素進(jìn)行理解，對工作過程中的反應(yīng)機(jī)理加深理解。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的對反應(yīng)、催化劑進(jìn)行綜合性設(shè)計和理解。

要點(diǎn)5. 通過對催化過程、電極、電解液、反應(yīng)器等問題進(jìn)行設(shè)計，一些研究工作在實(shí)現(xiàn)工業(yè)相關(guān)性能、經(jīng)濟(jì)性競爭性等角度上的制氫、制H₂O₂、CO、硝酸銨、環(huán)氧乙烯等實(shí)現(xiàn)了進(jìn)展。作者認(rèn)為本文綜述有望實(shí)現(xiàn)提高電催化反應(yīng)的高速發(fā)展，從含量豐富原料（CO₂、H₂O、N₂、生物質(zhì)）出發(fā)合成燃料、化學(xué)品。

Cheng Tang, Yao Zheng, Mietek Jaroniec, Shizhang Qiao*, Electrocatalytic Refinery for Sustainable Production of Fuels and Chemicals, Angew. Chem. Int. Ed. 2021

DOI: 10.1002/anie.202101522

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202101522

文章來源：催化計（微信公眾號） 作者： 微著