En lumo de mediaj zorgoj kaj energia transiro, elektrokemia CO2-redukto (ECR) al valor-aldonita multkarbona (C2+) fueloj kaj kemiaĵoj, uzante renovigeblan elektron, prezentas elegantan longperspektivan solvon por fermi la karbonciklon kun kromaj ekonomiaj avantaĝoj ankaŭ.Tamen, elektrokataliza C─C-kuplado en akvaj elektrolitoj daŭre estas malferma defio pro malalta selektiveco, agado kaj stabileco.Dezajno de kataliziloj kaj reaktoroj tenas la ŝlosilon por trakti tiujn defiojn.Ni resumas lastatempan progreson pri kiel atingi efikan C─C-kupladon per ECR, kun emfazo pri strategioj en elektrokataliziloj kaj elektrokataliza elektrodo/reaktora dezajno, kaj iliaj respondaj mekanismoj.Krome, nunaj proplempunktoj kaj estontaj ŝancoj por C2+ produktgenerado estas diskutitaj.Ni celas provizi detalan revizion de la plej altnivelaj C─C-kunligaj strategioj al la komunumo por plua evoluo kaj inspiro en kaj fundamenta kompreno kaj teknologiaj aplikoj.

La troa liberigo de karbondioksido (CO2) en atmosferon kaŭzis gravajn mediajn sekvojn kaj ankaŭ prezentas urĝan kaj eble neinversigeblan minacon al homaj socioj (1, 2).Ĉar la atmosfera CO2-koncentriĝo akre pliiĝis de 270 ppm (partoj per miliono) en la fruaj 1800-aj jaroj al 401.3 ppm en julio 2015, tutmonda konsento pri reciklado de la karbonpiedsigno elsendita de homaj agadoj estis atingita (3, 4).Por realigi la proksiman buklon por karbonpiedsigno, unu ebla aliro estas ŝanĝi la dependecon de aktuala energio kaj kemiaj industrioj for de fosiliaj fueloj en renovigeblajn fontojn kiel ekzemple suna kaj vento (5-8).Tamen, la frakcio de energio de tiuj renovigeblaj fontoj estas nur limigita al 30% pro ilia intermita naturo, krom se aliroj por grandskala energistokado ne estos disponeblaj (9).Tial, kiel alternativo, kaptado de CO2 de punktaj fontoj kiel elektrocentraloj, sekvita de konvertiĝo en kemiajn krudmaterialojn kaj fuelojn, estas pli praktike realigebla (9–12).Elektrokataliza CO2-redukto (ECR) uzanta renovigeblan elektron reprezentas elegantan longtempan solvon pro la mildaj funkciaj kondiĉoj necesaj por la konvertiĝoj, en kiuj valor-aldonitaj produktoj povus esti selekteme produktitaj (13).Kiel skeme ilustrite en Fig. 1, en ĉi tiu procezo, la elektrokemia elektrolizilo konvertas CO2 kaj akvon en kemiaĵojn kaj brulaĵojn funkciigitajn per renovigebla elektro.La rezulta fuelo kapablas longdaŭran stokadon kaj ankaŭ povas esti distribuita aŭ konsumita, eligante CO2 kiel la ĉefa rubo, kiu estos kaptita kaj resendita al la reaktoro por fermi la buklon.Krome, la rezultaj et-molekulaj kemiaj krudmaterialoj [ekz., karbonmonooksido (CO) kaj formito] de ECR povas esti utiligitaj kiel krudaĵoj por pli komplika kemia sintezo.

Fuelaĵoj kaj kemiaĵoj povus esti atingitaj de ECR kun fermita karbonciklo funkciigita per renoviĝantaj energifontoj kiel ekzemple suna, vento, kaj hidro.Ĉela inĝenierado kaj katalizila inĝenierado ludas ŝlosilajn rolojn por antaŭenigi la selektivecon, agadon kaj efikecon por konvertiĝo de CO2 al valor-aldonita C2+-produktoj kun alta energia denseco.

Tamen, CO2 estas sufiĉe stabila linia molekulo kun forta C═O-ligo (750 kJ mol−1) (14), malfaciligante ĝin por elektrokemia konvertiĝo.Tiel, ĝi postulas altan aktivigan baron, kiu, siavice, kondukas al signifaj tropotencialoj (15).Krome, ECR en akva elektrolito implikas multi-elektronajn/protonajn transigajn procezojn kune kun kelkaj malsamaj eblaj reagintermedioj kaj produktoj (16-18), igante ĝin tre kompleksa.Tablo 1 resumas la duonajn elektrokemiajn termodinamikajn reagojn de la ĉefaj ECR-produktoj, inkluzive de CO, metano (CH4), metanolo (CH3OH), formiacido (HCOOH), etileno (C2H4), etanolo (CH3CH2OH), kaj tiel plu, kune kun iliaj. respondaj normaj redoksaj potencialoj (19).Ĝenerale, dum ECR-procezo, CO2-molekuloj unue spertas adsorbadon kaj interagadon kun atomoj sur la katalizilsurfaco por formi *CO2−, sekvitan per diversa laŭpaŝa translokigo de protonoj kaj/aŭ elektronoj direkte al malsamaj finproduktoj.Ekzemple, CH4 verŝajne formiĝas tra la sekvaj padoj: CO2 → *COOH → *CO → *CHO → *CH2O → *CH3O → CH4 + *O → CH4 + *OH → CH4 + H2O (20).

Figuro 2A resumas la Faradaic-efikecon (FE) sub malsamaj produktadrapidecoj (nuna denseco) por la raportitaj ECR-elektrokataliziloj, kiu reprezentas la produktoselektivecon de la reago (21-43).Precipe, dum la pintnivelaj elektrokataliziloj povas transformi CO2 en C1-produktojn (CO aŭ formito) kun pli ol 95% FE sub alta produktadrapideco (>20 mA cm−2 por H-speca ĉelo kaj>100 mA cm−). 2 por fluĉelo) (9, 21, 22, 25, 28, 44, 45), la tre selektema (>90%) kaj efika produktado de pli haveblaj plurkarbonaj (C2+) kemiaĵoj ne estis realigita ĝis nun.Ĉi tio ŝuldiĝas al la fakto, ke kunligo al C2+-produktoj postulas alvenon kaj adsorbadon de pluraj CO2-molekuloj al la surfaco, laŭpaŝa transformo kaj spaca poziciigado (13).Por esti specifa, kiel montrite en Fig. 2B, la postaj reagoj de *CO-intermedioj determinas la finajn C2+-produktojn de ECR.Ĝenerale, C2H6 kaj CH3COO− dividas la saman *CH2-intermedian, kiu estas generita de la proton-kunligitaj elektrontransiga paŝoj de *CO.Plia protonado de *CH2 donas *CH3-mezon, kiu kondukas al la formado de C2H6 per *CH3-dimerigo.Male al C2H6-generacio, CH3COO− estas formita per CO-enmeto en *CH2.La *CO-dimerigo estas la rapid-determina paŝo por C2H4, CH3CH2OH, kaj n-propanol (n-C3H7OH) formado.Post serio de elektrontransigo kaj protonadŝtupoj, la *CO─CO-dimero formas la *CH2CHO-intermedion, kiu funkcias kiel la selektivec-determina paŝo por C2H4 kaj C2H5OH.Krome, estis trovite ke redukti *CH2CHO al C2H4 havas pli malaltan energian barieron ol transformado de *CH3CHO al C2H5OH (46), kio povas klarigi la pli altan FE por C2H4 super C2H5OH sur la plej multaj kupraj kataliziloj.Krome, stabiligitaj C2-intermedioj povus transdoni al n-C3H7OH per CO-enmeto.La kompleksaj kaj nekontroleblaj reagvojoj dum C2+-kemia formado ŝuldiĝas plejparte al multaj pli da permutaĵoj al la protonadejoj, kune kun la ebla implikiĝo de neelektrokemia paŝo (19, 47).Kiel tia, la dezajno de tre selektemaj elektrokataliziloj estas antaŭkondiĉo por specifa C2+-produkta formado ĉe alta rendimento.En ĉi tiu revizio, ni celas reliefigi la lastatempan progreson pri strategioj en elektrokatalizila dezajno por selektema C2+-produkta generacio per ECR.Ni ankaŭ provizas resumon de la komprenoj de rilataj mekanismoj.Elektrodo kaj reaktordezajno ankaŭ estos emfazita por montri kiel atingi efikan, stabilan kaj grandskalan operacion de ECR.Krome, ni diskutos la ceterajn defiojn kaj estontajn ŝancojn por elektrokemia konvertiĝo de CO2 al valor-aldonita C2+-kemiaĵoj.

(A) La FE sub malsamaj produktadaj indicoj (nuna denseco) por la raportitaj ECR-elektrokataliziloj (21-43, 130).(B) Plej eblaj C2+-vojoj dum ECR.Reproduktite kun permeso de la American Chemical Society (47).

Elektrokataliza transformo de CO2 en kemiajn brulaĵojn kaj krudmaterialojn estas ebla teknologio por atingi karbon-neŭtralan energian ciklon (11).Tamen, la FE de C2+-produktoj estas ankoraŭ malproksima de praktika aplikado, kie pintnivelaj kataliziloj permesas produktadon de C2-produktoj kun ĉirkaŭ 60% FE (13, 33), dum la C3-produktado estas limigita al malpli ol 10% FE (48, 49).Redukta kuplado de CO2 al C2+-produktoj postulas heterogenajn katalizilojn kun tre kunordigitaj morfologiaj kaj elektronikaj ecoj (50, 51).La kataliza surfaco bezonas rompi la skalo-rilatojn inter la intermediatoj (47, 52, 53).Krome, por atingi C─C-ligan formadon, la sorbitaj reagintermediatoj ĉe la katalizilsurfaco devas esti en proksima proksimeco unu al la alia.Krome, la pado de la komence adsorbita intermediato direkte al specifa C2+-produkto devas esti bone kontrolita pro la multoblaj proton-helpitaj elektrontransiga paŝoj.Konsiderante la altan kompleksecon de CO2-redukto al C2+-produktoj, elektrokataliziloj devas esti singarde adaptitaj por pliigi la selektivecon.Laŭ la mezaj specioj kaj kemiaj komponaĵoj, ni klasifikas C2+-produktojn en multkarbonajn hidrokarbonojn kaj oksigenaĵojn (4, 54).Por alproksimiĝi al tre efikaj elektrokataliziloj por specifa C2+-molekulo-produktado, pluraj katalizilaj dezajnostrategioj, kiel ekzemple heteroatoma dopado, kristala faceta reguligo, alojo/senaliado, oksigenada stato-agordado kaj surfaca ligandkontrolo, estis pruvitaj (35, 41, 55-61) .Optimuma dezajno devus racie konsideri la menciitajn efikojn kaj maksimumigi la avantaĝojn.Alie, kompreni kiajn aktivajn ĉeftemojn kondukas al tia unika kataliza konduto povas plue lumigi precizan katalizildezajnon por C─C-kuplado.Tial, kiel desegni ECR-katalizilon al specifaj produktoj (multikkarbonaj hidrokarbidoj kaj oksigenaĵoj) kaj la rilata mekanismo estos diskutitaj en ĉi tiu parto.

C2+-hidrokarbidoj, kiel ekzemple C2H4, estas ligaj kemiaĵoj por diversaj kemiaj industrioj, kiel ekzemple polietilena produktado (62, 63).Krome, ĝi povus esti rekte uzata kiel brulaĵo por veldado aŭ miksita komponanto en tergaso (12).Hidrogenado de CO (Fischer-Tropsch-sintezo) kaj CO2 estis uzata por produkti C2+-hidrokarbonojn dum longa tempo en industria skalo sed defiita de alta energikonsumo kaj media efiko (64).En ege kontraste, elektrokemia CO2-redukto uzante renovigeblan energion disponigas pli puran kaj pli daŭrigeblan vojon.Granda klopodo estis farita por evoluigi efikajn elektrokatalizilojn direkte al C2+ hidrokarbidoj (32, 33, 65-70).

Bimetalaj elektrokataliziloj estis vaste esploritaj por rompi la skalan rilaton dum elektrokemia CO2-konverto, kiu povas stabiligi la ŝlosilon mezan kaj malaltigi la tropotencialon kaj, tiel, siavice, pliigi la selektivecon (71-74).Dum serio de alojmaterialoj inkluzive de Au-Cu, Ag-Cu, Au-Pd, kaj Cu-Pt estis pruvita por alta efikeco C1-produktado stabiligante la kritikan mezan (73, 75), la alojefiko direkte al C2+ hidrokarbidformacio ŝajnas esti pli kompleksa (76).Ekzemple, en la bimetala sistemo Cu-Ag, la produktodistribuo povas esti facile kontrolita per agordado de la surfaca atomproporcio de Ag kaj Cu (77).La surfaca Cu-riĉa specimeno estas preferita por hidrokarbidproduktado, dum la produktoj de la surfaca Ag-riĉa estas dominita per CO, elstarigante la gravecon de atomproporcio por alojitaj ECR-elektrokataliziloj.La geometria efiko kaŭzita de la loka atomaranĝo povas signife influi la ligan forton de la intermediatoj.Gewirth kaj kunlaborantoj (36) montris ke Cu-Ag-alojoj de aldonaĵ-kontrolita elektrodemetado elmontris ~60% FE por C2H4 en alkala fluo elektrolizilo (Fig. 3, A kaj B).En ĉi tiu kazo, optimumigita C2H4-selektiveco povas esti atingita per morfologio kaj Ag-ŝarĝada agordado.La Ag-ejoj verŝajne ludis la rolon de reklamanto por CO-formacio dum ECR.Tiam, la optimuma havebleco de la CO-interaĵo povus helpi la C─C-kupladon en la najbara Cu.Krome, Ag ankaŭ povas antaŭenigi la formadon de Cu2O dum la sintezo de katalizilo Cu-Ag (Fig. 3C), rezultigante plibonigitan produktadon de C2H4.Tiu sinergio malfermas novajn eblecojn por evoluigado de C─C-kunligaj kataliziloj.Krome, la miksadpadrono de malsamaj metaloj en la alojsistemo ankaŭ povus determini la distribuadon de ECR-produktoj.Uzante Pd-Cu alojon kiel ekzemplon (Fig. 3D), Kenis kaj kunlaborantoj (71) pruvis ke faz-separita Pd-Cu katalizilo povas oferti la plej altan selektivecon (~50%) por C2H4 kompare kun ĝia ordigita kaj malorda. ekvivalentoj.Laŭ la d-banda teorio, tipe, transira metalo kun pli malalta d-banda centro montras pli malfortan ligadon de la surloke generitaj intermediatoj sur la metalsurfacoj (78).Dum faz-separata Pd-Cu alojo elmontris similan katalizan selektivecon kaj agadon por CO kun Cu nanopartikloj (NPoj), ĝi ofertis tute malsaman ligan forton direkte al intermediatoj per Pd-agordado.Kiel montrite en Fig. 3E, faz-separata Cu-Pd alojo montris la plej malsupran d-bendan centron, dum tiu de Cu NP estas la plej alta.Ĝi indikas ke la faz-separita Cu-Pd-alojo havis la plej malsupran devigan forton por la CO-interaĵo.Tiu observado implicas ke la geometria kaj strukturefiko povas ludi pli grandan rolon ol la elektronika efiko por plibonigado de la hidrokarbidselektiveco en la faz-separita Cu-Pd alojokazo.Ĝis nun, nur pura kupro aŭ kupro-bazita alojo montras superan selektivecon kaj agadon por elektrokemia redukto de CO2 al C2+ hidrokarbidoj.Tiel, estas tre necese evoluigi novan elektrokatalizilon por C2+ hidrokarbidproduktado de ECR.Inspirita de CO2-hidrogenado, prepara studo pruvis, ke Ni-Ga alojo kun malsamaj fazoj povus esti uzata por C2H4-generacio (79).Ĝi montris, ke Ni5Ga3 filmo povus redukti CO2 al C2H4 kaj etano (C2H6).Kvankam la FE direkte al C2+-hidrokarbidoj estas malpli ol 5%, ĝi povas malfermi novajn liniojn por elektrokatalizila rastrumo direkte al C─C-kuplado bazita sur la alojefiko.

(A ĝis C) Cu-Ag bimetalaj kataliziloj fabrikitaj per aldonaĵ-kontrolita elektrodemetado: (A) skananta elektronmikroskopio (SEM) de Cu-drato, Cu-Ag-poli, kaj Cu-Ag-drato kaj (B) ekvivalenta C2H4 FE.(C) EXAFS montris ke Cu-Ag-drato estis homogene miksita kaj Cu (I) oksido estis prezentita.(A) ĝis (C) estas reproduktitaj kun permeso de la American Chemical Society (36).(D kaj E) Cu-Pd-kataliziloj kun malsamaj miksadpadronoj: (D) Ilustraĵo, dissenda elektronmikroskopio (TEM) bildoj, kaj energidisvastaj spektroskopiaj elementmapoj de ordigitaj, malordaj, kaj faz-separitaj Cu-Pd alojoj kaj (E) ) surfacaj valentbendaj fotoemisiospektroj kaj d-benda centro (la vertikala linio) de Cu-Pd alojoj relative al Fermi-nivelo.(D) kaj (E) estas reproduktitaj kun permeso de la American Chemical Society (71).au, arbitraj unuoj.

Krom aloja efiko, manipuli la oksigenajn statojn estas alia grava principo por agordi la agadon de elektrokataliziloj, kiuj povas influi la lokan elektronikan strukturon de la materialo.La unua ekzemplo por la oksigenada stato-agordado de katalizilo devas uzi oksid-derivitajn materialojn.La resta oksigenspecio sur la surfaco aŭ subsurfaco de katalizilo post surloka redukto povas reguligi la oksigenadstaton de la metalcentro.Ekzemple, plasmo-oksidita Cu montris pli ol 60%-selektivecon al C2H4, kiu estis atributita al la redukt-rezistema Cu+ (37).Por konfirmi, ke Cu + estas la ŝlosila parametro por alta etilena selektiveco, ni faris kontroleksperimentojn uzante malsaman plasmon (Fig. 4A).Surloke malmola rentgen-sorbada spektroskopio plue montris ke la restaj oksidoj en la (sub)surfactavolo estas stabilaj kontraŭ reduktokondiĉo, kun signifa kvanto de Cu+-specioj restantaj post 1 horo da redukto ĉe relative altaj potencialoj de −1.2 V kontraŭ reigebla. hidrogena elektrodo (RHE).Krome, elektroredemetado de kupro de sol-ĝela kupra oksiklorido denove kontrolis, ke stabiligitaj surfacaj Cu+-specioj povus plibonigi la selektivecon de C2H4 (61).La oksigenadstato de kupra katalizilo sub malsamaj aplikataj potencialoj estis spurita uzante temp-solvitan surloke molan rentgen-sorbadspektroskopion.La komenca transira paŝo de Cu2+ al Cu+ estas tre rapida;tamen, la plia elektrokemia redukto de Cu+ specioj al Cu0 estas multe pli malrapida.Ĉirkaŭ 23% de Cu+-specioj restas eĉ post 1-hora konstanta redukto sub −1.2 V kontraŭ RHE (Fig. 4B).Mekanismaj studoj rivelis ke la interfaco inter Cu+ kaj Cu0 kondukas al elektrostatika altiro inter intermediatoj ĉar la C-atomo de *CO@Cu+ estas pozitive ŝargita, dum tiu de *CO@Cu0 estas negative ŝargita (80), kiu, siavice, antaŭenigas la C─C ligoformado kaj tiel produktas C2+-hidrokarbidojn.Aldone al oksid-derivitaj materialoj, kupronitruro (Cu3N) ankaŭ estis uzita por atingi (sub)surfacajn Cu+-specojn por malpliigi la dimerigan energibarieron de *CO (81).Krome, kompare kun oksid-derivita Cu, Cu3N-derivataj specioj de Cu+ estas eĉ pli stabilaj (Fig. 4C).Kiel rezulto, la nitrud-derivita kuprokatalizilo elmontras FE de 39 ± 2% por C2H4, superante la puran Cu (~23%) kaj oksid-derivitan Cu (~28%).Analoga al la supre menciita Cu+/Cu kataliza sistemo, boro estis uzita kiel heteroatoma dopanto por enkonduki kaj stabiligi Cuδ+ (41).La meza oksigenadstato de kupro povas esti kontrolita de +0.25 ĝis +0.78 ŝanĝante la koncentriĝon de boro-dopanto.Projekciita denseco de ŝtatoj montris, ke la elektronoj translokiĝis de kupro al boro, kondukante al dopant-induktitaj pozitive ŝargitaj kuprolokoj.La boro-dopita kupro montris pliigitan forman energion de *CHO-intera kaj, tiel, subpremis la reagvojon direkte al C1-produktoj.Krome, ĝi povas pliigi la selektivecon al multikarbonaj hidrokarbidoj malpliigante *CO-dimerigan reagenergion (Fig. 4D).Optimumigante la mezan surfacan oksigenadstato de kupro, alta C2 FE de ~80% kun ~53% C2H4 povus esti atingita sub meza kupra oksigenadstato de +0.35 (Fig. 4E).Ĝis nun, la aktivaj ejoj sur kupro estis identigitaj kiel Cu0, Cuδ+, kaj/aŭ ilia interfaco por ECR en malsamaj studoj (39, 41, 42, 81, 82).Tamen, kio estas la aktiva retejo ankoraŭ estas diskutata.Dum la heteroatom-dopado-induktitaj Cuδ+-kataliziloj pruviĝis esti tre aktivaj por ECR direkte al C2+-produktoj, la sinergia efiko de la samtempe generitaj difektoj kaj interfacoj ankaŭ devus esti pripensita.Tial, sistemaj en operando-karakterizadoj devus esti evoluigitaj por identigi la aktivan centron sur kupra surfaco kaj monitori la eblan surloke transformon de la aktivaj ejoj sub reagkondiĉoj.Krome, la stabileco de la pozitive ŝargita kupro estas alia zorgo sub elektrokemiaj reduktokondiĉoj.Kiel sintezi katalizilojn kun stabilaj Cuδ+-ejoj restas defio.

(A) Resumo de la C2H4-selektiveco de malsamaj plasmo-aktivigitaj kupraj kataliziloj.Reproduktita kun permeso de la Natura Eldongrupo (37).Skalstangoj, 500 nm.(B) Proporcio de Cu-oksigenadŝtatoj relative al la reagtempo ĉe −1.2 V kontraŭ RHE en elektroredeponita kupro.Reproduktita kun permeso de la Natura Eldongrupo (61).(C) Rilatumo de Cu+-specioj kun funkcio de reagtempo ĉe −0.95 V kontraŭ RHE en Cu-on-Cu3N aŭ Cu-on-Cu2O.Reproduktita kun permeso de la Natura Eldongrupo (81).(D) Bordopado povis ŝanĝi la mezan adsorban energion de CO en la kupra surfaco kaj malaltigi la CO─CO-dimerigan energion.1[B], 2[B], 3[B], 4[B], kaj 8[B] rilatas al la koncentriĝo de subtera bordopado en la kupraj kataliziloj, kiuj estis 1/16, 1/8, 3/ 16, 1/4, kaj 1/2, respektive.(E) La rilato inter la oksigenadstato kaj FE de C2 aŭ C1-produktoj en boro-dopitaj kupraj kataliziloj.(D) kaj (E) estas reproduktitaj kun permeso de la Natura Eldongrupo (41).(F) SEM-bildoj de kupraj folioj kun malsamaj dikaĵoj de Cu2O-filmoj antaŭ (supre) kaj post (malsupre) ECR.Reproduktite kun permeso de la American Chemical Society (83).

Krom la elektronika strukturo, oksid-derivitaj materialoj ankaŭ povas konduki al morfologio aŭ strukturevoluo dum la surloka reduktoprocezo.De la perspektivo de morfologio aŭ strukturo, la plifortigita elektrokemia efikeco de oksid-derivitaj elektrokataliziloj ricevis al la formado de aktivaj grenlimoj, randoj, kaj ŝtupoj (83-85).Yeo kaj kunlaborantoj (83) raportis la selekteman C─C-kupladon sur elektrodeponitaj Cu2O-filmoj kun malsamaj dikaĵoj (Fig. 4F).Surloka Raman-spektroskopio rivelis ke la surfaco de la Cu2O-filmoj estis reduktita al stabila metala Cu0 dum ECR (83).Kiel rezulto, metala Cu0 estis konfirmita kiel la kataliza aktiva centro anstataŭe de Cu+-specioj aŭ la Cu+/Cu0-interfaco.En la procezo de reduktado de Cu2O al metala Cu0, la katalizilsurfaco verŝajne surloke formas ŝtupojn, randojn kaj terasojn.Oni atentigis, ke la formitaj ŝtupoj kaj randoj estas pli aktivaj ol la terasoj, devenante de sia pli forta ligo kun *CO, kiu povas plue hidrogeni *CO al *CHO aŭ *CH2O.Krome, randaj Cu-atomoj estas iniciatinto por akceli la formadon de *CHO kaj *CH2O.Antaŭa laboro sugestis ke *CHO kaj *CH2O-intermedioj estas pli favoraj por C─C-kuplado ol *CO en kinetiko (86).Reguligante la surfacmorfologion, la kemisorbadenergioj de la *CHO kaj *CH2O intermediatoj povas esti optimumigitaj.En ĉi tiu studo, la aŭtoroj trovis, ke la FE de C2H4 malpliiĝis de 40 ĝis 22% kiam ili pliigis la dikecon de Cu2O maldika filmo de 0,9 ĝis 8,8 μm.Tio ŝuldiĝas al la koncentriĝo de malalta kunordigita Cu kiu pliiĝis kun la pliiĝo en Cu2O-dikeco.Tiuj nekunordigitaj atomoj povas forte ligi kun H kaj, tiel, estas pli preferataj por hidrogenevoluo ol C─C-kuplado.Tiu laboro montris ke la oksid-deriva kupra katalizilo povas signife plifortigi la C2H4-selektivecon per surfacmorfologiorekonstruo anstataŭe de enkondukado de ŝargitaj Cuδ+ specioj.Uzante la oksid-derivitajn katalizilojn, etano (C2H6) ankaŭ estis selekteme produktita kun la helpo de paladio (II) klorido (PdCl2) aldonaĵo en elektrolito (34).Ĝi montris ke la adsorbita PdClx sur la surfaco de Cu2O-derivita Cu ludis decidan rolon por C2H6-evoluo.Specife, CO2 unue estis reduktita al C2H4 ĉe la Cu2O-derivitaj aktivaj Cu-ejoj, kaj tiam la formita C2H4 estus hidrogenita kun la asistado de adsorbita PdClx por produkti C2H6.La FE de C2H6 pliiĝis de <1 ĝis 30.1% kun la helpo de PdCl2.Ĉi tiu laboro sugestas, ke la kombinaĵo de la bone difinita ECR-katalizilo kaj elektrolita aldonaĵo povas malfermi novajn ŝancojn por specifa C2+-produkta generacio.

Morfologio kaj/aŭ strukturreguligo reprezentas alian alternativan strategion por moduli katalizan selektivecon kaj agadon.Kontroli la grandecon, formon kaj elmontritajn facetojn de katalizilo estis vaste pruvita por ECR-efikecplibonigo (58, 87, 88).Ekzemple, la Cu (100) faceto estas interne preferita por C2H4-generacio, dum la dominata produkto de la Cu (111) katalizilo estas metano (CH4) (87).En studo de Cu nanokristaloj kun diversaj formoj kaj grandecoj, Buonsanti kaj kunlaborantoj (58) rivelis nemonotonan grandecan dependecon de la C2H4-selektiveco en kubformaj kupraj nanokristaloj (Fig. 5A).Esence, kubaj Cu nanokristaloj elmontris pli altan C2H4-agadon kaj selektivecon ol sferaj Cu nanokristaloj pro la superrego de la (100) faceto.La pli malgranda kristalgrandeco de kuba Cu povis oferti pli altan agadon pro la pliigita koncentriĝo de malalt-kunordigitaj surfacejoj, kiel ekzemple anguloj, ŝtupoj, kaj kinkoj.Tamen, la pli forta kemisorbado de malalt-kunordigitaj ejoj estis akompanita per pli alta H2 kaj CO-selektiveco, rezultigante pli malaltan totalan hidrokarbonan FE.Aliflanke, la proporcio de randejoj al ebenaj ejoj malpliiĝis kun la pliiĝo de partiklograndoj, kiu ankaŭ influas la agadon de C2H4-produktado.La aŭtoroj pruvis, ke mezgrandaj kupraj nanokuboj kun 44-nm-randa longo montris la plej altan C2H4-selektivecon pro la optimumigita ekvilibro inter partikla grandeco kaj la denseco de randejoj.Krome, morfologio ankaŭ povas influi la lokan pH kaj amastransporton dum ECR.Estis pruvite ke la alta loka pH en la najbareco de katalizilsurfaco, kiu estas kaŭzita de la surloke generita OH−, subpremas la proton-engaĝitan reagvojon.Kiel rezulto, C2+ hidrokarbidformacio tra *CO-dimerigo povus esti plifortigita, kaj CH4 formita tra *COH-interaĵo povus esti inhibiciita.Kupro nanodrataj tabeloj (Fig. 5B) pruviĝis atingi pliigitan lokan pH (68).Kiel ofte uzita elektrolito, CO2 saturita kalia bikarbonato (KHCO3) solvo rapide neŭtraligos la lokan OH− (HCO3− + OH− = CO32− + H2O) kaj malpliigos la lokan pH.Kun longforma mikrostrukturo, la difuzo de HCO3− en la Cu nanodratarojn povas esti iel subfosita tiel ke la neŭtraliga efiko por loka OH− estos subpremita certagrade.Surbaze de simila principo, kupraj retoj kun precize kontrolitaj mezoporoj (Fig. 5C) montris plifortigitan FE por produktado de C2H4 aŭ C2H6 (32).Ĝi montris ke la loka pH en la elektrodsurfaco povus esti pliigita malvastigante la poran larĝon, rezultigante malpliigitan C1-produkton FE kaj plifortigitan C2-produkton FE.Krome, pliigante la poran profundon, la plej grava redukta produkto povus esti agordita de C2H4 al C2H6.La FE de C2H6 estis same alta kiel 46%.Ĉar la kemiaĵoj estis limigitaj ene de la poroj dum ECR, longedaŭra retentempo de la ŝlosilaj intermediatoj kaŭzitaj de la pli profundaj poroj estis klarigita kiel la ĉefkialo de la alta selektiveco direkte al saturita C2-hidrokarbido.CuI-derivitaj Cu nanofibroj ankaŭ montris altan selektivecon al C2H6 (FE = 30% ĉe −0.735 V kontraŭ RHE) (89).La anizotropa morfologio kaj alta surfaca malglateco de CuI-derivataj Cu nanofibroj povas plibonigi la kaptan efikecon de sorbita H2 kaj tiel pliigi la FE de C2H6.

(A ĝis C) Morfologio aŭ strukturefikoj.(A) Denso de atomoj (maldekstra akso) kaj la rilatumo de atomoj ĉe la randlokoj (Nedge) al atomoj sur la (100) ebeno (N100) (dekstra akso) en signifo al la randlongo (d).Reproduktite kun permeso de John Wiley and Sons (58).(B) Skemo de morfologio kaŭzis pH-ŝanĝadon.Reproduktite kun permeso de John Wiley and Sons (68).(C) Produkta selektiveco de mezopora kupro kun malsamaj poraj grandecoj kaj profundoj.Reproduktite kun permeso de John Wiley and Sons (32).(D al H) Ligando-efikoj.(D kaj E) ECR sur kupra nanodrato (Cu NW) kun malsamaj specoj de aminoacidoj (D) aŭ modifiloj (E) ĉe −1.9 V. Reproduktita kun permeso de la Reĝa Societo de Kemio (35).(F) Produktadoj de C2H4 en malsamaj halogenaj elektrolitoj kun malsamaj adsorbaj potencialoj sur Cu(35).Reproduktite kun permeso de la American Chemical Society (91).NHE, normala hidrogenelektrodo.(G) FE de C2H4 kaj CO en malsamaj koncentriĝoj de KOH-elektrolitoj kaj (H) Tafel-deklivo de C2H4 en malsamaj koncentriĝoj de KOH-elektrolitoj.(G) kaj (H) estas reproduktitaj de la Amerika Asocio por Akcelo de Scienco (AAAS) (33).

Katalizila surfacmodifo uzanta malgrandajn molekulojn estas alia bonkonata strategio por plibonigi la elektrokemian efikecon de ECR.Tiu strategio povas influi la mikromedion proksime de la katalizilsurfaco, kiu povas stabiligi la esencajn intermediatojn pro la interagado inter surfacperanto kaj intermediato.Amino estis raportita kiel modifilo por antaŭenigi ECR (35).Diversaj aminoacidoj, inkluzive de glicino (Gly), dl-alanino (Ala), dl-leŭcino (Leu), dl-triptofano (Tyr), dl-arginino (Arg), kaj dl-triptofano (Trp), estis esploritaj al studi iliajn efikojn al kupraj nanodratoj (35).Kiel montrite en Fig. 5D, ĉiuj aminoacido-bazitaj Perantoj estis kapablaj plibonigi la selektivecon de C2+ hidrokarbidoj.Tia plibonigo sugestas, ke ─COOH kaj ─NH2 funkciaj grupoj en aminoacido verŝajne respondecas pri la plifortigita selektiveco de ECR.Antaŭaj raportoj ilustris, ke la adsorbado de aminoacidoj sur la Cu-surfaco estis atingita per ambaŭ grupoj ─COOH kaj ─NH2 (35, 90).Stearata acido (C17H35COOH, RCO2H), kiu enhavas nur la ─COOH-grupon, estis elektita por identigi la rolon de ─COOH.Aliaj modifiloj, kiel ekzemple a-antraquinona diazonsalo (AQ), o-nitrobenzene diazoniosalo (PhNO2), kaj dodecilmercaptan (C12H25SH, RSH), kiuj enhavas nek ─COOH nek ─NH2-grupojn, ankaŭ estis esploritaj.Tamen, ĉiuj el ili ne estis pozitivaj por C2+ hidrokarbona FE-plibonigo (Fig. 5E).Teoriaj kalkuloj indikis ke ─NH3+-grupoj en la adsorbita zwitteriona glicino povis stabiligi *CHO-mezan pro sia forta interagado, kiel ekzemple hidrogenaj ligoj.Enkonduko de halogenaj jonoj en la elektroliton estas alia maniero modifi la katalizilojn (91, 92).Kiel montrite en Fig. 5F, C2H4-produktadrapideco sur plasmo-aktivigita Cu povus esti signife pliigita kun la asistado de halogenaj aldonaĵoj.Estis montrite ke I− jono estas pli aktiva ol Br− kaj Cl−, en konsento kun la ekvivalenta adsorba energio de I−, Br−, kaj Cl− sur la Cu(100) faceto (91).Krom Halogenidoj, hidroksidjono ankaŭ montris pozitivan efikon al C2H4-selektiveco.Lastatempe, Sargent kaj kunlaborantoj (33) raportis la konvertiĝon de CO2-al-C2H4 kun ~70% FE uzante koncentritan kaliohidroksidon (KOH) elektroliton (ĝis 10 M) en fluĉelo.Kiel montrite en Fig. 5G, la komenca potencialo de CO kaj C2H4 en 10 M KOH-elektrolito estis multe pli malalta kompare kun tiu en 1 M KOH.Krome, la Tafel-deklivoj (Fig. 5H) de C2H4-formacio malpliiĝis kun la pliiĝo de hidroksida koncentriĝo (135 mV decade−1 en 1 M KOH kaj 65 mV decade−1 en 10 M KOH), sugestante la transmutacion de la totala indico- determinanta paŝo.Densecfunkcia teorio (DFT) rezultoj pruvis ke la ĉeesto de densaj hidroksidoj povis malaltigi la ligan energion de la CO-interaĵo kaj ankaŭ pliigis la ŝargmalekvilibron inter du karbonatomoj en adsorbitaj OCCO-intermedioj.Kiel rezulto, la OCCO-intermedio estus plu stabiligita tra pli forta dipolaltiro, kondukante al pli malalta aktiviga energiobariero por CO-dimerigo, kiu tiam plibonigos la totalan efikecon.

C2+-oksigenaĵoj kiel ekzemple etanolo (CH3CH2OH) estas alia grava kategorio da tre valoraj ECR-produktoj.Industria sintezo de etanolo estas energi-intensa procezo, kiu ankaŭ konsumas grandan kvanton da etileno aŭ agrikulturaj krudmaterialoj (40).Tiel, elektrokataliza produktado de etanolo aŭ aliaj C2+-oksigenaĵoj el CO2 havas multe da ekonomia kaj media senco.Ĉar etanolgenerado de ECR kunhavis antaŭlastan interaĵon kun C2H4 kiu estas *C2H3O (43), selektema hidrogenado de tiu intermediato povis ŝanĝi ECR-padojn de C2H4 al alkoholoj (64).Tamen, en la plej multaj sistemoj, la selektiveco al C2+-oksigenaĵoj estas multe pli malalta ol hidrokarbidoj (31, 37, 39, 41, 42, 67).Tiel, en ĉi tiu sekcio, ni reliefigos la elektrokatalizilajn dezajnajn strategiojn, kiuj povas atingi imponan C2+-oksigenitan FE de pli ol 25%.

Kiel diskutite supre, bone dezajnitaj bimetalaj kataliziloj povas plibonigi la selektivecon kaj agadon por C2+ hidrokarbidoproduktado.Simila sed ne identa strategio ankaŭ estis utiligita por plibonigi la elektrokatalizan efikecon por C2+-oksigenaĵoj (38, 93, 94).Ekzemple, Ag-korpigitaj Cu-Cu2O-kataliziloj elmontris agordeblan etanolan selektivecon, kaj la plej alta etanola FE estis 34.15% (95).La bifaza limo en la faz-miksita Ag-Cu alojo, anstataŭe de Ag/Cu atomproporcio, estis identigita kiel la ŝlosila faktoro por selektema produktado de etanolo.Ĉar la Cu-ejo estas tre proksima al la Ag-ejo en faz-miksita padrono (Ag-Cu2OPB), la formadrapideco de etanolaj intermediaroj por la faz-miksita provaĵo povus esti antaŭenigita kompare al la faz-apartigita unu (Ag-Cu2OPS). ), kondukante al pli bona etanolgenerada efikeco.Krom etanolo, Cu-Ag-bimetalaj NP ankaŭ pruviĝis konverti CO2 al acetato kun aldono de benzotriazole (93).Je −1.33 V kontraŭ RHE, la FE de acetato estis 21.2%.Du eblaj reagvojoj estis proponitaj en tiu kazo: Unu estas bazita sur CO-dimerigo, kaj la alia unu estas sur CO-enmeto, elstarigante la kritikan rolon de CO-interformacio sur aktivaj Ag-ejoj.Simila observo estis raportita en Cu-Zn-kataliziloj (Fig. 6, A kaj B) por etanola produktado (38).Agordante la enhavon de Zn en Zn-Cu alojitaj kataliziloj, la rilatumo de etanolo kontraŭ C2H4 FE povus esti bone kontrolita en la intervalo de 0,48 ĝis 6, sugestante la gravecon de CO-evoluantaj ejoj por C2+ oksigena formado.Formado de alojitaj kataliziloj eble stimulos la streĉan efikon al la matrica materialo, kiu eble ne estas dezirata foje.Tiel, rekta itinero direkte al bimetalaj kataliziloj eble estos pli taŭga por kelkaj celproduktoj.Jaramillo kaj kunlaborantoj (96) konstruis simpligitan Au-Cu bimetalan sistemon, sintezitan per rekta demetado de oraj NP-oj sur polikristala Cu-folio, por esplori la tandeman katalizan efikon.La dumetala Au-Cu elmontris sinergian selektivecon kaj agadon direkte al C2+-alkoholoj, superante puran kupron kaj oron, kaj Au-Cu-alojon.Kompare kun Cu-folio, la bimetala Au-Cu-sistemo montris pliigitan lokan CO-koncentriĝon pro la ĉeesto de Au NPs (Fig. 6C) kiuj estis aktivaj por CO-generado.Ĉar oro ne estas aktiva por redukto de CO, la plifortigita C2+ alkoholproduktadrapideco sur Au-Cu bimetalaj kataliziloj estis atributita al tandema katalizmekanismo.Specife, oraj NPoj povus generi altan lokan CO-koncentriĝon proksime de la Cu-surfaco.Poste, la abundaj lokaj CO-molekuloj povas esti plu reduktitaj al C2+-alkoholoj per Cu.

(A al C) Alojaj efikoj.(A) Maksimuma FE de etanolo kaj C2H4 kaj la FE-proporcio de etanolo kaj etileno sur diversaj Cu-Zn-alojoj.(B) Parta kurenta denseco de etanolo sur diversaj Cu-Zn-alojoj.(A) kaj (B) estas reproduktitaj kun permeso de la American Chemical Society (38).(C) CO2-redukto kaj CO-evoluotarifoj sur oro, kupro, kaj la Au-Cu bimetala sistemo.Reproduktita kun permeso de la Natura Eldongrupo (96).(D al L) Morfologio aŭ strukturefikoj.(D) Skema ilustraĵo de metala jona bicikla metodo.(E kaj F) SEM-bildoj de 100-ciklo Cu antaŭ (E) kaj post (F) la antaŭredukto sub ECR-kondiĉoj.(G) TEM kaj elektita-area elektrona difrakto sugestis ke Cu (100) estis elmontrita kaj (H) libera energio por *OCCO kaj *OCCHO-formacio sur Cu (100), Cu (111) kaj Cu (211) facetoj.(D) ĝis (G) estas reproduktitaj kun permeso de la Natura Eldongrupo (42).(I) Rilatumo de oksigenaĵoj kaj hidrokarbidoj kiel funkcio de potencialo sur Cu (111), Cu (751), kaj Cu (100).(J) Kunordigaj nombroj por Cu(111), Cu(100), kaj Cu(751).(I) kaj (J) estas reproduktitaj kun permeso de la Nacia Akademio de Sciencoj (97).(K) Skemo de la transformprocezo de Cu NPs al kub-simila kupro.Reproduktite kun permeso de la Nacia Akademio de Sciencoj (98).(L) SEM-bildoj de nanodendrita kupro antaŭ kaj post ECR.Reproduktite kun permeso de la American Chemical Society (99).

Selektema ekspozicio de kristalaj facetoj por elektrokataliziloj estis pruvita kiel efika kaj simpla aliro por atingi plifortigitan FE al specifaj ECR-produktoj kaj grava maniero por fundamenta kompreno.Simpla sed skalebla sintezo de unu-kristalaj kataliziloj estas malfacila.Inspirite de la galvanostatika ŝargado-malŝarĝado (GCD) procedo por kuirilaroj, nia grupo evoluigis metaljonan biciklan metodon (Fig. 6D) por selekteme elmontri la kristalan faceton de Cu-katalizilo (42).Post 100 GCD-cikloj, densa Cu nanokuba tabelo estis formita sur la Cu folio kun elmontritaj (100) facetoj (Fig. 6, E ĝis G).La 100-cikla katalizilo prezentis totalan C2+-alkoholan FE de pli ol 30% kaj respondan C2+-alkoholan kurentdensecon de pli ol 20 mA cm−2.Tamen, la 10-cikla Cu kun pli malalta rilatumo de la (100) faceto nur ofertis C2+-alkoholan FE de ~10%.DFT-simulado konfirmis, ke la facetoj Cu(100) kaj paŝitaj (211) estis pli favoraj por C─C-kuplado super Cu(111), kiel montrite en Fig. 6H.Modela katalizilo, epitaxial Cu-filmo kun malsamaj elmontritaj facetoj, estis uzita por determini la aktivajn ĉeftemojn al C2+-oksigena produktado (Fig. 6I) (97).Ĉar estas statistike malpli verŝajne ke CO* dimero estu najbara al H*-atomoj sur surfaco kun pli malmultaj najbaroj, pli malaltaj kunordigitaj Cu-ejoj povus subpremi la formadon de hidrokarbidoj kaj konduki al plibonigita C2+ oksigena FE ĉar estas pli malfacile hidrogenigi. C─C kunigis ECR-intermediajn sur ĝia surfaco (97).En la epitaksia Cu filmstudo, la verkintoj konfirmis ke la ECR sur la Cu (751) faceto montris plibonigitan oksigenan/hidrokarbonan rilatumon.Tiu plibonigo povus esti atributita al la surfaca Cu-atomo-geometrio de malsamaj Cu-facetoj kaj la ekvivalenta pli malalta averaĝa kunordigita nombro (Fig. 6J), kie Cu-atomo kunordigita, respektive, kun du, kvar, kaj ses plej proksimaj najbaroj sur Cu (751), Cu(100), kaj Cu(111) facetoj.Surloka morfologiorekonstruo ankaŭ estis uzita por plibonigi C2+-oksigeni FE.Aktiva kub-simila Cu-katalizilo estis evoluigita fare de Yang kaj kunlaborantoj (98), kiu montris plibonigitan C─C-kunligan efikecon.Detale, monodispersaj Cu NPs (6.7 nm) kun malsamaj ŝarĝoj estis deponitaj sur karbopapersubteno kiel katalizilo por ECR.Evidente, pliigita FE de C2+-oksigenaĵoj estis observita kun la pliiĝo en Cu NP-ŝarĝado.Estis montrite ke dense pakitaj Cu NPs sub altaj ŝarĝaj kondiĉoj spertis surloke morfologian transformon dum ECR, en kiu kub-similaj morfologioj estis finfine formitaj (Fig. 6K).Tiu lastatempe formita strukturo estis trovita esti pli elektrokatalize aktiva.Tafel-analizo indikis ke CO-dimerigo estis la rapid-determina paŝo por C2-produkta formado, dum tiu de n-propanolo montris diskretan padon en tiu kataliza sistemo.Nanodendrita kupro estas alia ekzemplo kiu montras la gravecon de morfologia kontrolo por C2+-oksigena produktado (99).Mallonge, la totala FE de la bone difinita kupra nanodendrito (Fig. 6L) por C2+ alkoholo estis ĉirkaŭ 25% ĉe −1.0 V kontraŭ RHE.Impona n-propanol FE de 13% povus esti atingita ĉe −0.9 V. Konsiderante la altan agadon de Cu-atomo, kupro-bazitaj kataliziloj ĉiam suferas de struktura degenero dum ECR, precipe ĉe alta tropotenco, kiu, siavice, kondukas al malbona. stabileco.Tamen, tia nanodendrita kupro elmontris bonan stabilecon por alkoholproduktado, montrante alkoholon FE de ~24% dum 6 horoj.

Difektoj de elektrokataliziloj, kiel atomvakantaĵoj kaj dopantoj, montras la eblecon de adsorbado de netradiciaj ECR-intermedioj kaj, tiel, selekteme plifortigi la respondan vojon al oksigenaĵoj (29, 43, 100).Prenante *C2H3O kiel ekzemplon, kiu estas la ebla antaŭlasta meza por produktado de etileno kaj etanol, Sargent kaj kunlaborantoj (43) detale studis la rolon de difektoj en kernŝela Cu elektrokatalizilo.Ili teorie montris, ke la reakciaj energiaj baroj por etileno kaj etanol-formado estis similaj en la frua C─C-kunliga stadio (0.5-V tropotenco) (Fig. 7A).Sub tia kondiĉo, la enkonduko de kupra vakaĵo iomete pliigus la energian baron por etilena formado, tamen ĝi ne montris influon sur la etanolgenerado (Fig. 7B).Tamen, kiel montrite en Fig. 7C, kupraj kataliziloj kun vakantaĵo kaj subtera sulfura dopaĵo povus signife pliigi la energian barieron por la etilena itinero, igante ĝin termodinamike malfavora.Tamen, tia modifo montris nekonsiderindan efikon al la etanolpado.Tiu ĉi fenomeno estis plue eksperimente kontrolita.Kerno-ŝelo strukturita Cu2S-Cu kun abundaj surfacvakantaĵoj (Cu2S-Cu-V; Fig. 7D) estis sintezita.La rilatumo de alkoholo al etileno pliiĝis de 0.18 sur nudaj Cu NPs al 0.34 sur libera vakantaĵo Cu2S-Cu kaj tiam al 1.21 sur Cu2S-Cu-V, kvankam la totala FE de C2+-produktoj por ĉiuj kataliziloj restis simila (Fig. 7E) .Ĉi tiu observado indikis ke la antaŭenigo de alkohola selektiveco estis asociita kun la subpremado de etilena produktado, kongrua kun la DFT-rezulto.Krome, difektinĝenieristiko ludas pli gravan rolon por senmetala karbonkatalizilo ĉar puraj karbonmaterialoj estas neaktivaj por ECR.Dopantoj kiel ekzemple nitrogeno kaj boro estis uzitaj por ŝanĝi la elektronikan strukturon de karbon-bazita katalizilo (31, 43, 100).Ekzemple, nitrogen-dopita nanodiamonda (NDD) filmo sur silicisubstrato estis transdonita fare de Quan et al.(29) por selektema produktado de acetato de ECR (Fig. 7F).La acetat-komencpotencialo estis same malalta kiel −0.36 V kontraŭ RHE uzanta NDD-katalizilon, kaj la FE por acetato estis pli ol 75% en ebla intervalo de −0.8 ĝis −1.0 V kontraŭ RHE.Por kompreni la originon de tia impona plibonigo, NDD/Si-elektrodoj kun malsamaj nitrogenaj enhavoj aŭ nitrogenaj specioj estis preparitaj kaj esploritaj (Fig. 7G).La verkintoj finis ke la supera efikeco de la NDD/Si-katalizilo por ECR povus esti atribuita al sia alta tropotencialo por hidrogenevoluo kaj N-dopado, kie N-sp3C-specioj estis tre aktivaj por acetatproduktado.Elektrokinetaj datenoj kaj surloka infraruĝa spektro rivelis ke la ĉefpado por acetatformado eble estos CO2 → *CO2− → *(COO)2 → CH3COO−.Krom nitrogeno, boro estas alia bone esplorita heteroatomo por reguligi la elektronikan strukturon de nanodiamanto.Tamen, boro-dopita nanodiamanto (BDD) prefere reduktis CO2 al formaldehido aŭ formito (101).Krome, Quan kaj kunlaborantoj (102) pruvis ke boro kaj nitrogeno-dopata nanodiamond (BND) montris sinergian efikon al ECR, kiu povis venki la limigon de BDD kaj tiam selekteme produkti etanolon.BND1, BND2, kaj BND3 kataliziloj kun malsamaj nitrogenenhavoj kaj similaj boro dopaj niveloj estis preparitaj.Kiel montrite en Fig. 7H, la plej alta selektiveco de etanolo ĝis 93% povus esti atingita sur la BND3-katalizilo ĉe −1.0 V kontraŭ RHE, kiu havas la plej altan nitrogendopadon.Teoria kalkulo ilustris ke la C─C-kunliga procezo sur BND estis termodinamike favora, kie la boro-atomo antaŭenigis la kapton de CO2 kaj nitrogendopanto faciligis la hidrogenadon de intermediato direkte al etanolo.Kvankam heteroatom-dopita nanodiamanto estis kapabla je konvertado de CO2 en multikarbonajn oksigenaĵojn kun alta selektiveco, ĝia ECR-agado estas tre limigita pro la malrapida ŝargotransiga procezo (nuna denseco estas malpli ol 2 mA cm−2).Grafen-bazita materialo povus esti ebla solvo por venki la mankojn de diamant-bazitaj kataliziloj.Teorie, la randaj piridinaj N-ejoj en la grafena tavolo estis prenitaj kiel la aktivaj lokoj por C─C-kuplado (103).Ĉi tio estas pro la fakto, ke la ĉeesto de piridina N ĉe randlokoj povus konverti CO2 en CO, kiu povas esti plu kunligita en C2+-molekulon (Fig. 7I).Ekzemple, la *C2O2-intermedio povus esti stabiligita en nitrogen-dopita karbono en kiu la du C-atomoj estas ligitaj al la piridina N kaj ĝia apuda C-atomo, respektive (103).La teoria antaŭdiro tiam estis validigita per nitrogen-dopita grafena kvantumpunkto (NGQD) kataliziloj (31).Post la pulverigo de nitrogen-dopitaj grafenaj folioj (1 ĝis 3 μm) (Fig. 7J), 1- ĝis 3-nm NGQD-oj estis akiritaj en kiuj la denseco de piridina N ĉe randlokoj estis pliigita je tri grandordoj.Je −0.78 V kontraŭ RHE, la maksimuma FE por C2+-oksigenaĵoj povis atingi ĝis 26%.Krome, kiel montrite en Fig. 7K, la parta kurenta denseco por C2+-oksigenaĵoj estas proksima al 40 mA cm−2 ĉe −0.86 V kontraŭ RHE, kiu estas multe pli alta ol tiu de la modifita nanodiamanto.Kompare, N-liberaj grafenaj kvantumpunktoj kaj N-dopata grafenoksido, kiuj montras multe malsupran randan piridinan N, ĉefe donis H2, CO kaj formiton.

(A ĝis C) Gibbs libera energio de *C2H3O ĝis etileno kaj etanolo por kupro, kupro kun vakantaĵo, kaj kupro kun kupra vakaĵo kaj subsurfa sulfuro.(D) Skema ilustraĵo de la Cu2S-Cu-V katalizilo.(E) FE de C2+ alkoholoj kaj etileno, same kiel la FE-proporcio de alkoholoj al alkenoj.(A) ĝis (E) estas reproduktitaj kun permeso de la Natura Eldongrupo (43).(F) SEM-bildo de NDD.(G) Produktadaj indicoj de acetato kaj formito sur NDD kun malsamaj nitrogenenhavoj.je %, atoma %.(F) kaj (G) estas reproduktitaj kun permeso de la American Chemical Society (29).(H) FEoj por NDD, BDD, kaj BNDs ĉe −1.0 V. Reproduktita kun permeso de John Wiley and Sons (102).(I) Skema ilustraĵo de la aktivaj ejoj por C─C-kuplado en NGQDoj.(I) estas reproduktita kun permeso de la American Chemical Society (103).(J) TEM-bildo de NGQDoj.Skalstangoj, 1 nm.(K) Partaj nunaj densecoj por diversaj produktoj uzante NGQDojn.(J) kaj (K) estas reproduktitaj kun permeso de la Natura Eldongrupo (31).

Preter elektrokataliziloj, elektrodo kaj kataliza reaktora arkitekturo-dezajno prezentas alian efikan vojon por akceli la ECR-efikecon, precipe por produktadorapideco kaj energiefikeco.Signifaj plibonigoj estis faritaj pri dezajno kaj fabrikado de novaj elektroreduktaj sistemoj por atingi tre efikan C2+-produktadon.En ĉi tiu sekcio, ni diskutos la dezajnon de elektrodo/reaktoro de ECR detale.

H-tipaj ĉeloj estas vaste uzataj en laboratori-skalaj testoj, konsiderante sian facilan asembleon, facilan operacion kaj malaltan koston.La ĉeloj estas ekipitaj per sendependaj katodo kaj anodkameroj kiuj estas ligitaj per jon-interŝanĝa membrano (104, 105).La primara malavantaĝo de tiu H-speca ĉelo estas la malalta CO2 solvebleco en akva elektrolito, kiu estas nur 0.034 M sub ĉirkaŭaj kondiĉoj, kondukante al limigitaj CO2-reduktaj kurentdensecoj de j < 100 mA cm−2 (64).Plie, aliaj internaj malavantaĝoj, inkluzive de limigita elektroda surfacareo kaj granda interelektroda distanco, ne plenumis la kreskantajn esplorpostulojn (105, 106).Por C2+ produktgenerado, H-specaj ĉeloj kutime montras malaltan selektivecon sub altaj tropotencialoj, ekz., 32% por etileno je −0.98 V kontraŭ RHE (107), 13.1% por n-propanolo ĉe −0.9 V kontraŭ RHE (99), kaj 20.4% por etanolo je −0.46 V kontraŭ RHE (108), pro la grave konkurenciva hidrogenevoluo.

Por trakti ĉi-suprajn aferojn, la flureaktoro estis proponita (15, 109).En fluĉeloj, gasa CO2-rivereto povas esti rekte utiligita kiel krudmaterialo ĉe katodo, tiel kondukante al signife plibonigita amasdisvastigo kaj produktadrapideco (104, 110).Figuro 8A montras la tipan arkitekturon de fluĉelo, kie polimera elektrolitmembrano (PEM) funkciis kiel la elektrodpartigilo kiu estas krampita inter du flukanaloj.La katalizilo estas senmovigita sur gasa difuzelektrodo (GDE) por funkcii kiel la katoda elektrodo, en kiu gasa CO2 estas rekte provizita.La katolito, kiel ekzemple 0.5 M KHCO3, estas ade fluita ene de la maldika tavolo inter la katalizilelektrodo kaj PEM.Krome, la anodflanko estas tipe cirkulita kun akva elektrolito por oksigenevolucia reago (43, 110).Kompare kun H-specaj ĉeloj, ĉi tiuj membran-bazitaj fluoĉeloj montras multe pli bonan ECR-efikecon.Ekzemple, Sargent kaj kunlaborantoj (43) taksis la ECR-agadon de la katalizilo Cu2S-Cu-V en kaj H-tipa ĉelo kaj fluĉelo, kiel montrite en Fig. 8 (B ĝis E).Uzante H-specajn ĉelojn, la maksimuma FE por C2+-produktoj estis 41% kun totala nuna denseco de ~30 mA cm−2 sub −0.95 V kontraŭ RHE.Tamen, la FE por C2+-produktoj pliiĝis al 53% kun totala kurentdenseco facile superante 400 mA cm−2 sub −0.92 V kontraŭ RHE en flusistemo.Tia signifa agado-plibonigo uzanta la flureaktoron povas esti atributita al la plifortigita CO2-disvastigo kaj subpremitaj flankreagoj, plejparte originante de la loka gas-elektrolito-katalizila tri-interfaca arkitekturo.

(A) Diagramo de la fluoelektrolizilo kun zomita skemo de la elektrodo-elektrolita interfaco.(A) estas reproduktita kun permeso de John Wiley and Sons (30).(B al E) Komparo de ECR-efikeco uzanta H-specan ĉelon kaj fluĉelon.(B) ĝis (E) estas reproduktitaj kun permeso de la Natura Eldongrupo (43).(F al H) Malsamaj elektrolitoj aplikitaj en fluĉeloj kontraŭ la ECR-efikeco.(F) ĝis (H) estas reproduktitaj kun permeso de John Wiley and Sons (30).(I al K) Strukturo kaj stabileca agado de la polimer-bazita gasa difuzelektrodo.(I) ĝis (K) estas reproduktitaj kun permeso de AAAS (33).

La nula interspaca ĉelo estas alia emerĝanta klaso de elektroliziloj, kiu plue forigas la flukanalojn en fluĉeloj kaj premas du elektrodojn kune kun jon-interŝanĝa membrano intere.Ĉi tiu agordo povus signife malpliigi amastransigon kaj elektrontransigan reziston kaj tiel plibonigi energiefikecon, igante ĝin pli realigebla en praktikaj aplikoj (110).La reakciantoj manĝitaj al la katodo povas esti aŭ CO2-saturita katolito aŭ humidigita CO2-rivereto.Akvovaporo aŭ akva elektrolito estas devige provizitaj al la anodo por protonliberigo por kompensi la pagendaĵon por la CO2-reduktospecioj (111).Gutiérrez-Guerra et al.(109) taksis la agadon de la hibrida katalizilo Cu-AC en la nula interspaca ĉelo kaj raportis, ke acetaldehido estas la ĉefa produkto kun alta selektiveco de 60%.Kiel alia avantaĝo de ĉi tiu aparato, estas tre facile premi la reaktantfluon kaj signife plibonigi la lokan CO2-koncentriĝon, tiel rezultigante grandajn kurentdensecojn kaj altajn reakcirapidecojn (110).Tamen, la akcelita interŝanĝa kurzo en nulinterspacaj ĉeloj tendencas acidigi la katoliton, ŝanĝante la reagon al H2-evoluo anstataŭe de CO2-redukto (112).Por trakti tiun problemon, Zhou kaj kunlaborantoj (112, 113) enigis bufrotavolon kun cirkulanta akva elektrolito inter la katodo kaj membrano por konservi la bonordan pH proksime de la katodo por CO2-reduktoreago.Kvankam diversaj C2+-produktoj estis detektitaj surbaze de la nul-interspacaj ĉeloj, inkluzive de acetono, etanolo kaj n-propanolo, la FEoj daŭre estas relative malaltaj.La plej multaj raportitaj studoj ĉiam temigas C1-produktojn kiuj implikas pli malmultajn nombrojn da protono- kaj elektrontranslokigoj dum la redukta reago.Tial, la farebleco de la nula interspaco ĉelo por C2+-produktoj daŭre estas sub debato (110).

Plie, mikrofluidaj elektrolizaj ĉeloj (MEC) estas speco de tre alloga elektrolizila agordo evoluigita de Kenis kaj kunlaborantoj (39, 114).En ĉi tiu aparato, la membrano estas anstataŭigita per maldika spaco (<1 mm en dikeco) plenigita kun fluanta elektrolitfluo por apartigi la anodon kaj katodon.La CO2-molekuloj povus rapide disvastigi en la elektrod-elektrolita interfaco proksime de katodo, kaj la du fiksaj GDEoj estas flulavigitaj per fluanta elektrolito.Kompare al membran-bazitaj fluĉeloj, MEC-oj ne nur evitas la altan membrankoston sed ankaŭ mildigas akvoadministradon, kiu precipe rilatas al la anodo-sekiĝo kaj katoda inundo kiam funkciigite ĉe altaj nunaj densecoj pro la osmoza tiriĝo de akvomolekuloj kune kun protontransporto de anodo al katodo trans la membrano (115).Kiom ni scias, malgraŭ la rimarkindaj meritoj kaj atingoj, minimuma nombro da studoj atingis C2+-produktojn en la originaj MECoj.Tio estas verŝajne kaŭzita de la "ŝveba" efiko ke protonoj formitaj en la anodo estas facile drenitaj de la katoda najbareco aŭ forlavitaj per la torenta elektrolito, prefere ol partoprenado en la multobla protono postulata C2+ formacia reago.La konjekto povus esti konfirmita de la sekva kazo.En 2016, Kenis kaj kunlaborantoj (31) raportis la sukcesan redukton de CO2 al C2+-produktoj sur modifita kaj membran-enhava MEC, en kiu NGQD-oj povus redukti CO2-molekulojn al C2+ kun 55% FE (31% por etileno, 14%; por etanolo, 6% por acetato, kaj 4% por n-propanolo) ĉe aplikata potencialo de −0.75 V kontraŭ RHE en 1 M KOH-solvo.Gravas atentigi, ke elektrolita medio povus grave influi ankaŭ la produktan selektivecon.Ekzemple, Jiao kaj kunlaborantoj (30) sintezis nanoporan Cu-katalizilon kaj poste testis ĝian ECR-efikecon uzante malsamajn elektrolitojn (KHCO3, KOH, K2SO4 kaj KCl) en membran-bazita MEC.Ili malkaŝis, ke la redukto de CO2 en alkala elektrolito (KOH) elmontras la plej altan C2+-selektivecon kaj nunan densecon, kiel montrite en Fig. 8 (F kaj G).Je −0.67 V kontraŭ RHE en 1 M KOH-elektrolito, la akirita FE por C2+ atingas ĝis 62% kun parta kurenta denseco de 653 mA cm−2, kio estas inter la plej altaj kurentdensecoj kiuj iam estis raportitaj en elektrokemiaj CO2-reduktoj. al C2+-produktoj.Etileno (38.6%), etanolo (16.6%), kaj n-propanolo (4.5%) estas la ĉefaj C2+-produktoj kun malgranda kvanto de acetato.Ili ankaŭ atentigis, ke ekzistas forta korelacio inter la kalkulita surfaca pH kaj FE por C2+-produktoj: Ju pli alta la surfaca pH, des pli altaj kurantaj densecoj kaj C2+-produktoj donas, kiel montrite en Fig. 8H.La teoria kalkulo proponis ke la preskaŭ-surfacaj OH− jonoj povus forte faciligi C─C-kupladon (31).

Aldone al la elektrolizila konfiguracio, la elektrolito aplikita en malsamaj elektroliziloj ankaŭ povus konsiderinde ŝanĝi la finajn ECR-produktojn.Kiel ni menciis supre, tre alkalaj KOH-solvoj ĉiam estas uzataj en fluĉeloj kun bonega agado prefere ol en H-tipaj ĉeloj.Ĝi estas atribuita al la fakto, ke KOH-elektrolito povus disponigi pli altan elektrolitkonduktivecon, malpliigi ohman reziston inter la maldika elektrolita tegaĵo sur katalizilo kaj groca elektrolito, kaj plu malpliigi la postulatajn tropotencialojn por C2+-formado (31).La DFT-rezultoj plue konfirmas ke la ĉeesto de OH− jonoj povus malaltigi la energian barieron por CO-dimerigo, tiel akcelante la C2+-formacion kaj subpremante la konkuradon de C1 kaj H2-formacio (30, 33).Tamen, alkala KOH ne povus esti utiligita kiel elektrolito en H-specaj ĉeloj.Ĉi tio estas ĉar CO2-fluoj rapide reagos kun KOH-solvoj kaj finfine kreos bikarbonatan solvon kun neŭtrala pH en H-tipaj ĉeloj (30).En fluĉeloj, aliflanke, post kiam la CO2 difuziĝas tra la GDE, la CO2-molekuloj estos konsumitaj ĉe la triobla limfazo (CO2-katalizilo-elektrolito) por formi reduktitajn produktojn tuj.Krome, la malbona bufrokapacito de la elektrolito povas rapide pliigi la pH ĉirkaŭ la elektrodo en senmovaj elektrolizilaj konfiguracioj, dum la fluanta elektrolito refreŝigos la surfacon kaj minimumigos la pH-fluktuadon en la elektrolito (33, 116).

Kiel antaŭe menciite, ke ECR estas disvast-kontrolita reago, alta reakcia premo ankaŭ povus signife plibonigi la plej grandan koncentriĝon de CO2-interfaco.La komunaj altpremaj reaktoroj estas similaj al la rustorezistaŝtala aŭtoklavo, en kiu altprema CO2 (ĝis 60 atm) povus esti enkondukita en la ĉelon, kondukante al rimarkinda pliiĝo en kaj la FE kaj la nuna denseco de C2+ (117). , 118).Sakata kaj kunlaborantoj (119) montris ke la nuna denseco povus esti plibonigita al 163 mA cm−2 sub 30 atm sur Cu-elektrodo kun etileno kiel la plej grava produkto.Multaj metalaj kataliziloj (ekz., Fe, Co, kaj Ni), sen agado por C2+-produktado ĉe ĉirkaŭa premo, povis redukti CO2 al etileno, etano, propano, kaj aliaj alt-ordaj C2+-produktoj ĉe altaj premoj.Estis pruvite ke la selektiveco de la produktoj rimarkeble dependas de la CO2-premo en la maniero de ŝanĝi CO2 havebleco ĉe la elektrodsurfaco (117, 120).La ĉefaj reduktitaj produktoj estas ŝanĝitaj de H2 al hidrokarbidoj (C2+ inkluzivita) kaj finfine al CO/HCOOH kun pliigita CO2-premo.Precipe, la CO2-premo devus esti zorge monitorita ĉar troaj altaj aŭ malaltaj CO2-premoj induktus superfluan aŭ limigitan CO2-disvastrapidecon, kiu tendencas favori la produktadon de CO/HCOOH aŭ H2.Nur kongrua kvanto de meza CO kaj nuna denseco kiu generiĝis sur la elektrodsurfaco povus faciligi la C─C-kunligan reagon kaj plibonigi C2+-produktan selektivecon (119).

Desegni novan elektrodon kun altnivelaj strukturoj estas alia grava direkto por plibonigi la selekteman C2+-produktadon.En frua stadio, la laborelektrodoj estas neporaj metalaj folioj kaj suferas de malvigla amastransigo (26, 105).Kiel rezulto, GDE estis proponita mildigi la malbonan ĉelan agadon disponigante hidrofobajn kanalojn kiuj faciligas disvastigon de CO2 al katalizilaj partikloj (121).La konvencia GDE kutime konsistas el katalizila tavolo (CL) kaj el gasa difuztavolo (GDL), kiel montrite en la subaĵo de Fig. 8A (30, 33).La gas-likva-katalizila interfaco formita en GDE estas decida por plibonigi la ĉelan efikecon.La GDL kunvenita kun poraj materialoj (tipe karbonpapero) povus disponigi abundajn CO2-padojn kaj certigi rapidan elektrolitan disvastiĝon.Ĝi ankaŭ funkcias kiel malaltrezista transporta medio por protonoj, elektronoj kaj reduktoproduktoj de la CL en la elektroliton (121).Gutogisado, aerbrosado kaj elektrodemetado estas la oftaj teknologioj por preparado de GDEoj (122).Kataliziloj kunvenitaj kun GDEoj estis intense esploritaj en CO2 elektroredukto al C2+-produktoj.Precipe, la diritaj fluĉeloj kun favora efikeco estas ĉiuj kunligitaj kun GDEoj.Jam en 1990, Sammells kaj kunlaborantoj (123) raportis ke Cu-tegitaj GDE-oj atingis altan FE de 53% por etileno kun alta denseco de 667 mA cm−2.Plifortigi la selektivecon de etileno kaj etanolo estas grava defio kiu ĉiam estas kunproduktita sur Cu-bazitaj kataliziloj pro iliaj tre similaj mekanismaj reagvojoj.Plie, estas grave atentigi, ke la levita produktiveco kaj selektiveco de etileno kompare kun etanolo estis observitaj sur Cu-bazita GDE (25, 36).Gewirth kaj kunlaborantoj (36) montris bonegan FE de 60% por etileno kaj subpremitan FE por etanolo de 25% sur elektrodeponita Cu-Ag GDE, kiam la totala kurenta denseco atingis ~300 mA cm−2 je −0.7 V kontraŭ −0.7 V. RHE.Estas malofta laboro, kiu atingis tian altan selektivecon ĉe granda kurentdenseco.Tiu trovo indikas ke GDE-asimilita elektrodo disponigas esperigan vojon por agordado de la reagvojoj, en kiuj la selektiveco de reduktitaj produktoj povas esti akirita ĉe altaj kurentdensecoj.

La stabileco de GDEoj ankaŭ estas signifa temo kiu devus esti traktita ĉar stabila longperspektiva operacio estas esenca por realigi praktikan aplikon por fluĉeloj.Malgraŭ la elstara CO2-al-C2+-agado atingita kun GDE-oj, la stabileco ankoraŭ estas malbona pro la malforta mekanika adhero de la katalizilo, GDL kaj ligilaj tavoloj (77, 124).La karbona surfaco de GDL povus ŝanĝiĝi de hidrofoba al hidrofila dum la elektrokemia reago pro la oksigenada reago, kiu okazis ĉe altaj tropotencialoj, kiu kondukas al la inundo en GDL kaj obstrukcitaj CO2-difuzvojoj (33).Por solvi ĉi tiun problemon, esploristoj integris hidrofoban eŝafodon de politetrafluoretileno (PTFE) en GDEojn.Kompare al hidrofila Nafion, hidrofoba PTFE-tavolo donas superan longdaŭran stabilecon (33).Sargent kaj kunlaborantoj (33) kunvenis Cu-katalizilon inter la apartigitaj PTFE kaj karbonaj NPs, en kiuj la hidrofoba PTFE-tavolo povis senmovigi la NP-ojn kaj grafitajn tavolojn, tiel konstruante stabilan elektrodan interfacon (Fig. 8, I kaj J).Kiel rezulto, la FE por etilenproduktado estis pliigita al 70% en 7 M KOH-solvo ĉe nunaj densecoj de 75 ĝis 100 mA cm−2.La vivdaŭro de ĉi tiu flureaktoro estis etendita al pli ol 150 horoj kun nekonsiderinda perdo en etilena selektiveco, kiu estas 300-oble pli longa ol tradiciaj GDEoj, kiel montrite en Fig. 8K.Tia sandviĉa strukturo pruviĝis esti bonega GDE-dezajno.Ekzemple, Cui kaj kunlaborantoj (124) dizajnis tritavolstrukturon kun aktiva elektroda tavolo tondita per du hidrofobaj nanoporaj polietilenaj filmoj.La eksteraj hidrofobaj tavoloj povus bremsi la elektrolitfluon de la groca solvaĵo, kondukante al stabila, alta loka pH ĉirkaŭ la laborelektrodo.Optimumigo de la intertavola spaco, kiu povas plibonigi CO2-transporton kaj adsorbadon, ankaŭ estas grava en tia dezajno (124).Lastatempe, karbonaj nanotuboj ankaŭ estis integritaj en la GDE-ojn pro sia alta poreco, bona konduktiveco, kaj hidrofobeco, kiuj povus faciligi elektronon kaj amastransportadon (77).

Malgraŭ la ekscitaj progresoj pri ECR, strategioj por malaltkosta, grandskala produktogeneracio de C2+ malofte ĉeestas (125).En ĉi tiu etapo, la defioj kaj ŝancoj estas samtempaj por kompreni la reagajn mekanismojn de ECR kaj komercigi ĉi tiun esperigan teknologion.

Kiel eleganta solvo por fermi la karbonbuklon kaj stoki intermitan renovigeblan energion, kiel vento kaj suna, grandaj progresoj estis faritaj por atingi efikan konvertiĝon de CO2 en la pasintaj jardekoj.Dum la kompreno de la procezoj asociitaj kun ECR venis longan vojon ekde siaj fruaj tagoj (126), la C─C-kuplado per ECR al C2+-produktoj ankoraŭ estas malproksima de preta por praktika apliko.En ĉi tiu revizio, ni detalan rigardon al la nunaj strategioj, kiuj povas antaŭenigi la selektivecon kaj produktadon por C2+-produktoj per ECR, inkluzive de fajna katalizila agordado, elektrolita efikoj, elektrokemiaj kondiĉoj kaj elektrokemia elektrodo/reaktora dezajno.

Malgraŭ la tuta fortostreĉo metita en ECR, ekzistas daŭre multaj problemoj kun la nunaj kataliziloj kaj ECR-sistemo kiuj devas esti traktitaj antaŭ komercigado de ECR.Unue, kiel la domina katalizilo por realigi efikan C─C-kupladon, Cu suferas de gravaj stabilecproblemoj, precipe en akva elektrolito, kaj malofte povas pluvivi dum 100 horoj pro ilia alta atommoviĝeblo, partikla agregado, kaj strukturmalboniĝo sub ECR-kondiĉoj.Tiel, kiel atingi longperiodan stabilecon uzante Cu-bazitan katalizilon daŭre estas malferma defio.Ankri la Cu-bazitan katalizilon sur specifa subteno kun forta interagado povus esti fidinda strategio por konservi la katalizilstrukturon/morfologion kaj tiel disponigas plifortigitan vivtempon.Krome, uzi polimermembran elektroliton por anstataŭigi la akvan solvon dum ECR povas verŝajne plu plibonigi la stabilecon de la Cu-bazita katalizilo.Krome, de la perspektivo de kataliziloj, en situ/in operando karakterizaj teknikoj kaj teoria modeligado ankaŭ devus esti uzitaj por monitori kaj kompreni la katalizilan efikecon kadukiĝon, tiel, en victurno, subpremante la degeneron kaj venenadon de katalizilo al la plej malsupraj niveloj.Alia grava temo de ECR-kataliziloj kiuj devus esti traktitaj devas igi la sintezprotokolon realigebla por amasproduktado.Tiucele oni preferas simpligi la sintezajn procedurojn uzante vaste haveblajn krudmaterialojn.

Due, la generita C2+ oksigenita de ECR estas kutime miksita kun solutoj (ekz., KHCO3 kaj KOH) en la elektrolito por tradiciaj H- aŭ fluo-ĉelaj reaktoroj, kiuj, tamen, postulas ekstrajn apartigon kaj koncentriĝajn procezojn por reakiri purajn likvajn fuelsolvojn en praktikaj aplikoj.Samtempe, la evoluintaj C2+ hidrokarbidoj ankaŭ estas miksitaj kun H2 kaj resta CO2.Tiel, multekosta apartigprocezo estas nemalhavebla por nuna ECR-teknologio, kiu plue malhelpas ECR de praktika apliko.Tial, kiel rekte kaj kontinue produkti purajn likvajn fuelsolvojn kaj purajn gashidrokarbidojn, precipe kun altaj produktokoncentriĝoj, estas tre dezirinda por la praktika deplojo de ECR.Ni tiel antaŭdiras la kreskantan gravecon de rekta generacio de puraj produktoj per ECR en proksima estonteco, kio eble kondukos la ECR-teknologion multe pli proksime al merkato (127).

Trie, dum la formado de C─O kaj C─H-ligoj, kiel etanolo, acetacido kaj etileno, en ECR-teknologio estis peze studita, esplorado de aliaj specoj de produktoj ankaŭ estas grava por ECR-teknologio kaj montras ekonomian intereson.Ekzemple, lastatempe, Han kaj kunlaborantoj (128) raportis la produktadon de 2-bromoetnol de ECR.La surloka formado de C─Br-ligo transformas la produkton de etanolo al 2-bromoetnol, kiu estas grava konstrubriketo en kemia kaj farmacia sintezo kaj montras pli altan aldonvaloron.Tiel, preter la nunaj bone studitaj C2+-produktoj, ni kredas, ke celado de aliaj malofte esploritaj produktoj kiel ekzemple oksalata acido (129) kaj sintezo de pli kompleksaj C2+-molekuloj kiel ekzemple ciklaj kunmetaĵoj estas alia promesplena vojo por estonta ECR-esplorado.

Laste sed ne malplej, novaj elektrodo- kaj reaktordezajnoj kiel ekzemple akvorezista GDE, likva-fluaj ĉeloj kaj PEM-ĉelo devus esti vaste adoptitaj por akceli la ECR-produktadrapidecon al komerca nivelo (>200 mA cm−2).Tamen, la granda diferenco en elektrokataliza agado ĉiam estas observita kiam elektrokataliziloj estas aplikitaj al la plena ĉeltesto.Tial, pli sistemaj studoj devus esti faritaj por minimumigi la interspacon inter duonĉelaj studoj kaj plenĉela aparato-aplikaĵo por alporti la ECR de laboratori-skala testo al praktika uzo.

En resumo, elektrokemia redukto de CO2 ofertas bonan ŝancon por ni trakti la median problemon de forcej-efikaj gasoj elsenditaj de homaj agadoj.Ĝi ankaŭ montras la eblecon atingi purajn brulaĵojn kaj kemiaĵojn uzante renovigeblan energion.Dum multaj defioj restas por ECR-teknologio en la nuna stadio, precipe por la C─C-kunliga procezo, estas kredite ke kun daŭra esplorado kaj evoluo pri kaj katalizila optimumigo kaj ĉela perfekteco, la perspektivo de reala monda CO2-elektrolizo por pura fuelo. kaj kemiaĵoj estos realigitaj en proksima estonteco.

Ĉi tio estas alirebla artikolo distribuita laŭ la kondiĉoj de la permesilo Krea Komunaĵo Atribuite-Nekomerca, kiu permesas uzon, distribuon kaj reproduktadon en ajna medio, kondiĉe ke la rezulta uzo ne estas por komerca avantaĝo kaj kondiĉe ke la originala verko estas ĝuste. citita.

NOTO: Ni nur petas vian retadreson por ke la persono al kiu vi rekomendas la paĝon sciu, ke vi volis, ke ili vidu ĝin, kaj ke ĝi ne estas rubpoŝto.Ni ne kaptas ajnan retadreson.

© 2020 Amerika Asocio por la Akcelo de Scienco.Ĉiuj rajtoj rezervitaj.AAAS estas partnero de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef kaj COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.