水活化的调控：促进CO₂的高效电还原
水活化的调控：促进CO₂的高效电还原
在碳中和目标驱动下，精准调控CO2电还原中的活性氢（*H）是提升催化效率的关键挑战。本文通过双原子协同催化设计（如Ni-Cd异质原子对），有效优化水活化过程，实现了CO2至CO转化法拉第效率97.1%、反应转化频率达9000 h-1。结合原位光谱与理论计算，研究揭示了活性氢的动态生成与迁移机制，为工业级CO2电还原技术开发提供可供参考的新范式。长达55小时的稳定运行验证了其应用潜力，为高效化与实用化的可再生碳循环技术提供了有力支持。
图1 图文摘要
优化*H活化的非均相催化剂
为了充分利用H来提高反应效率，合理设计催化剂以实现最佳性能，深入理解水活化策略至关重要，针对这一需求，研究者们已经设计了多种非均相催化剂来优化H的活化，从而增强整体反应效率。
Shao等人开发了一种空心磷化钴纳米球电催化剂，该催化剂集成到自支撑碳纳米片阵列上，以促进NO3-到NH3的高效转化（图1A）。这种设计通过在磷化钴上调节活性氢的产生与氮中间体消耗活性氢之间的动态平衡，有效提高了反应速率。Han和Sun等人设计了一种用于CO2到C2生产的双活性位点催化剂，其中原子Cu位点增强了H₂O解离生成H的能力，并将H迁移到Cu纳米颗粒上，以调控H覆盖率，从而促进CO到CHO的转化（图1B）。此外，Li等人开发了一种由Ir单原子（Ir1）掺杂杂化Cu3N/Cu2O多位点组成的串联催化剂（图1C）。他们提出的反应途径强调CO和CHO是关键中间体，Ir1-Cu3N/Cu2O催化剂中的Ir1位点在增强H2O活化和促进CO质子化方面起着至关重要的作用，从而加速了*CHO在多位点界面的形成。
优化水活化策略
由可再生电力驱动的电化学CO2还原为将丰富且低成本的CO2转化为增值化学品提供了一条有前景的途径，有望推动可持续的低碳未来。然而，与氢化步骤相关的能量损失阻碍了CO2的电催化还原为CO，这会导致形成吸附的*COOH中间体，从而减慢整个过程。
最近，Sun等人报道了一种通过设计具有定制氢吸附亲和力的Ni配对异原子双原子催化剂（HDAC）将CO2RR增强为CO的新策略，展示了它们在电化学CO2还原中高效且稳定的应用（图1D）。NiCd-HDAC催化剂应用于电催化将CO2还原为CO，在-0.75 V（vs. RHE）电压下，其FEco为 ~ 97.1 ± 0.2%，反应转化频率（TOF）值（约 9000 h-1）远高于Ni-SAC和Cd-SAC。NiCd-HDAC还表现出卓越的催化稳定性，即使在连续电解55小时后，电流衰减也很小，FEco几乎保持不变。HDAC表现出优异的催化活性和选择性，显著优于单原子电催化剂和许多以前报道的同类体系。加速H向CO2分子的生成和转移将是改善反应动力学以形成羰基中间体的有效方法，设计最佳M位点并调整氢吸附强度的方法，可以实现更高的H产生，从而显着改善催化剂的反应动力学。
总结与展望
本文通过调整铜基催化剂的结构来提高其生产C2+产品的效率，优化了水的活化方式，从而增强其整体性能。该策略可应用于具有惰性键的各种化学品的电还原，例如硝酸盐还原（NO3–）、亚硝酸盐还原（NO2–）、氮还原（N2）、CO还原以及CO2/CO和N2
3–的共还原等领域，为推动高效低碳催化技术发展提供了新的技术路线。
本文原文来自The Innovation Materials第3卷第2期发表的Commentary文章“Optimizing water activation for efficient CO2 electroreduction” (投稿: 2024-12-25；接收: 2025-02-27；在线刊出: 2025-03-03)。