Kusabab masalah lingkungan sareng transisi énergi, réduksi CO2 éléktrokimia (ECR) kana bahan bakar multikarbon (C2+) tambah nilai sareng bahan kimia, nganggo listrik anu tiasa dianyari, nampilkeun solusi jangka panjang anu elegan pikeun nutup siklus karbon kalayan kauntungan ékonomi ogé.Tapi, gandeng éléktrolit C─C dina éléktrolit cai masih mangrupa tantangan kabuka alatan selektivitas low, aktivitas, jeung stabilitas.Desain katalis sareng réaktor mangrupikeun konci pikeun ngarengsekeun tangtangan éta.Urang nyimpulkeun kamajuan panganyarna dina kumaha carana ngahontal gandeng C─C efisien via ECR, kalawan tekenan kana strategi dina electrocatalysts jeung éléktroda electrocatalytic / desain réaktor, sarta mékanisme saluyu maranéhna.Salaku tambahan, bottlenecks ayeuna sareng kasempetan ka hareup pikeun generasi produk C2 + dibahas.Kami tujuanana pikeun masihan ulasan detil ngeunaan strategi gandeng C─C canggih ka masarakat pikeun pangwangunan sareng inspirasi salajengna dina pamahaman dasar sareng aplikasi téknologi.

Pelepasan kaleuleuwihan karbon dioksida (CO2) kana atmosfir parantos nyababkeun akibat lingkungan anu serius sareng ogé nyababkeun ancaman anu mendesak sareng berpotensi teu tiasa dibalikeun deui pikeun masarakat manusa (1, 2).Salaku konsentrasi CO2 atmosfir ngaronjat sharply ti 270 ppm (bagian per juta) dina mimiti 1800s mun 401,3 ppm dina Juli 2015, konsensus sakuliah dunya dina daur ulang tapak suku karbon dipancarkeun ku aktivitas manusa geus ngahontal (3, 4).Pikeun ngawujudkeun loop nutup pikeun tapak suku karbon, salah sahiji pendekatan poténsial nyaéta mindahkeun kagumantungan industri énérgi jeung kimia ayeuna jauh ti suluh fosil kana sumber renewable kayaning solar jeung angin (5-8).Tapi, fraksi énérgi tina sumber anu tiasa dianyari ngan ukur dugi ka 30% kusabab sifatna intermittent, kecuali aya pendekatan pikeun neundeun énergi skala ageung (9).Lantaran kitu, salaku alternatipna, néwak CO2 tina sumber titik sapertos pembangkit listrik, dituturkeun ku konversi kana bahan baku kimia sareng bahan bakar, langkung praktis (9-12).Pangurangan CO2 éléktrokatalitik (ECR) nganggo listrik anu tiasa diperbaharui ngagambarkeun solusi jangka panjang anu elegan kusabab kaayaan operasi anu hampang anu dipikabutuh pikeun konvérsi, dimana produk-produk nilai tambah tiasa diproduksi sacara selektif (13).Salaku schematically digambarkeun dina Gbr. 1, dina prosés ieu, nu electrolyzer éléktrokimia ngarobah CO2 jeung cai kana bahan kimia jeung suluh Powered by listrik renewable.BBM anu dihasilkeun téh sanggup neundeun jangka panjang sarta ogé bisa disebarkeun atawa dikonsumsi, mere kaluar CO2 salaku runtah utama, nu bakal direbut sarta fed deui ka reaktor pikeun nutup loop.Leuwih ti éta, bahan baku kimia molekul leutik anu dihasilkeun [contona, karbon monoksida (CO) jeung formate] ti ECR bisa dipaké salaku bahan baku pikeun sintésis kimia nu leuwih pajeulit.

Suluh jeung bahan kimia bisa dihontal tina ECR kalawan siklus karbon katutup Powered by sumber énergi renewable kayaning solar, angin, jeung hidro.Rékayasa sél sareng rékayasa katalis maénkeun peran konci pikeun ngamajukeun selektivitas, kagiatan, sareng efisiensi konvérsi CO2 kana produk C2 + anu nilai tambah kalayan kapadetan énergi anu luhur.

Sanajan kitu, CO2 mangrupakeun molekul linier cukup stabil kalawan beungkeut C═O kuat (750 kJ mol−1) (14), sahingga hésé pikeun konversi éléktrokimia.Ku kituna, merlukeun panghalang aktivasina tinggi, nu, kahareupna ngabalukarkeun overpotentials signifikan (15).Saterusna, ECR dina éléktrolit cai ngalibatkeun prosés mindahkeun multi-éléktron/proton bareng jeung sababaraha kamungkinan perantara réaksi béda jeung produk (16-18), sahingga kacida kompleks.Tabél 1 nyimpulkeun satengah réaksi termodinamika éléktrokimia tina produk ECR utama, kaasup CO, métana (CH4), métanol (CH3OH), asam format (HCOOH), étiléna (C2H4), étanol (CH3CH2OH), jeung saterusna, babarengan jeung maranéhna. poténsi rédoks baku pakait (19).Sacara umum, salila prosés ECR, molekul CO2 mimitina ngalaman adsorpsi jeung interaksi jeung atom dina beungeut katalis pikeun ngabentuk *CO2−, dituturkeun ku rupa mindahkeun stepwise proton jeung/atawa éléktron ka arah produk ahir béda.Contona, CH4 dipercaya ngabentuk ngaliwatan jalur ieu: CO2 → *COOH → *CO → *CHO → *CH2O → *CH3O → CH4 + *O → CH4 + *OH → CH4 + H2O (20).

Gambar 2A nyimpulkeun efisiensi Faradaic (FE) dina tingkat produksi anu béda (dénsitas ayeuna) pikeun éléktrokatalis ECR anu dilaporkeun, anu ngagambarkeun selektivitas produk tina réaksi (21-43).Utamana, sedengkeun éléktrokatalis canggih tiasa ngarobih CO2 janten produk C1 (CO atanapi formate) kalayan langkung ti 95% FE dina tingkat produksi anu luhur (> 20 mA cm−2 pikeun sél H-type sareng> 100 mA cm− 2 pikeun sél aliran) (9, 21, 22, 25, 28, 44, 45), anu kacida selektif (> 90%) jeung produksi efisien leuwih sadia multicarbon (C2 +) kimia teu acan direalisasikeun jadi jauh.Ieu alatan kanyataan yén gandeng jeung produk C2 + merlukeun datangna sarta adsorption sababaraha molekul CO2 kana beungeut cai, transformasi stepwise, sarta positioning spasial (13).Pikeun spésifikna, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 2B, réaksi saterusna tina *CO antara panengah nangtukeun produk ahir C2+ tina ECR.Sacara umum, C2H6 jeung CH3COO− babagi *CH2 perantara nu sarua, nu dihasilkeun tina hambalan mindahkeun éléktron-gandeng proton *CO.Protonasi salajengna tina *CH2 méré *CH3 panengah, nu ngabalukarkeun formasi C2H6 ngaliwatan *CH3 dimerization.Teu kawas generasi C2H6, CH3COO− dibentuk ku sisipan CO kana *CH2.Dimerisasi *CO nyaéta léngkah nangtukeun laju pikeun formasi C2H4, CH3CH2OH, jeung n-propanol (n-C3H7OH).Sanggeus runtuyan mindahkeun éléktron jeung léngkah protonasi, *CO─CO dimer ngabentuk *CH2CHO panengah, nu boga fungsi minangka hambalan selectivity-nangtukeun pikeun C2H4 jeung C2H5OH.Sajaba ti éta, kapanggih yén ngurangan *CH2CHO mun C2H4 boga panghalang énergi handap ti transforming *CH3CHO mun C2H5OH (46), nu bisa ngajelaskeun FE luhur pikeun C2H4 leuwih C2H5OH on paling katalis tambaga.Saterusna, antara C2 stabilized bisa mindahkeun kana n-C3H7OH via sisipan CO.Jalur réaksi kompléks jeung teu bisa dikadalikeun salila formasi kimia C2+ utamana alatan leuwih loba permutasi ka situs protonasi, babarengan jeung kamungkinan kalibet dina hambalan nonelectrochemical (19, 47).Sapertos kitu, desain éléktrokatalis anu selektif pisan mangrupikeun syarat pikeun formasi produk C2 + khusus dina ngahasilkeun anu luhur.Dina ulasan ieu, kami boga tujuan pikeun nyorot kamajuan panganyarna dina strategi dina desain electrocatalyst pikeun selektif C2 + generasi produk via ECR.Urang ogé nyadiakeun kasimpulan pamahaman mékanisme patali.Desain éléktroda sareng réaktor ogé bakal ditekenkeun pikeun nunjukkeun kumaha ngahontal operasi ECR anu éfisién, stabil, sareng ageung.Saterusna, urang bakal ngabahas tantangan sésana jeung kasempetan kahareup pikeun konversi éléktrokimia CO2 kana nilai-ditambahkeun C2 + bahan kimia.

(A) The FE dina ongkos produksi béda (dénsitas ayeuna) pikeun electrocatalysts ECR dilaporkeun (21-43, 130).(B) Paling mungkin jalur C2 + salila ECR.Dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (47).

Transformasi éléktrokatalitik CO2 kana bahan bakar kimia sareng bahan baku nyaéta téknologi poténsial pikeun ngahontal siklus énergi nétral karbon (11).Nanging, FE produk C2 + masih jauh tina aplikasi praktis, dimana katalis canggih ngamungkinkeun produksi produk C2 kalayan sakitar 60% FE (13, 33), sedengkeun produksi C3 dugi ka kirang ti 10%. FE (48, 49).Gandeng réduksi tina CO2 ka C2 + produk merlukeun katalis hétérogén mibanda sipat morfologis jeung éléktronik kacida ngagabung (50, 51).Beungeut katalitik perlu megatkeun hubungan skala antara perantara (47, 52, 53).Sumawona, pikeun ngahontal kabentukna beungkeut C─C, réaksi anu diserep antara dina permukaan katalis kudu deukeut-deukeut.Saterusna, jalur ti perantara mimitina adsorbed nuju produk C2 + husus perlu dikawasa ogé kusabab sababaraha léngkah mindahkeun éléktron-ditulungan proton.Tempo pajeulitna luhur ngurangan CO2 arah produk C2 +, electrocatalysts kudu taliti tailored pikeun ngaronjatkeun selectivity nu.Numutkeun spésiés panengah sareng komposisi kimia, urang ngagolongkeun produk C2+ kana hidrokarbon multikarbon sareng oksigénat (4, 54).Pikeun ngadeukeutan éléktrokatalis anu éfisién pisan pikeun produksi molekul C2 + khusus, sababaraha strategi desain katalis, sapertos doping heteroatom, régulasi facet kristal, alloy / dealloying, tuning kaayaan oksidasi, sareng kontrol ligan permukaan, parantos nunjukkeun (35, 41, 55-61). .Desain optimal kedah rationally mertimbangkeun épék disebut tadi jeung maksimalkeun pungsi mangpaatna.Upami teu kitu, ngartos naon motif-situs aktip ngakibatkeun paripolah katalitik unik sapertos kitu tiasa langkung terang kana desain katalis anu tepat pikeun gandeng C─C.Lantaran kitu, kumaha mendesain katalis ECR pikeun produk khusus (hidrokarbon multikarbon sareng oksigénat) sareng mékanisme anu aya hubunganana bakal dibahas dina bagian ieu.

Hidrokarbon C2+, sapertos C2H4, mangrupikeun bahan kimia nexus pikeun rupa-rupa industri kimia, sapertos produksi poliétilén (62, 63).Sajaba ti éta, éta bisa langsung dipaké salaku suluh pikeun las atawa komponén campuran dina gas alam (12).Hidrogénasi CO (sintésis Fischer-Tropsch) sareng CO2 parantos lami dianggo pikeun ngahasilkeun hidrokarbon C2 + dina skala industri tapi ditantang ku konsumsi énérgi anu luhur sareng dampak lingkungan (64).Kontras pisan, réduksi CO2 éléktrokimia nganggo énergi anu tiasa dianyari nyayogikeun jalur anu langkung bersih sareng langkung sustainable.Usaha hébat geus dilakukeun pikeun ngembangkeun electrocatalysts efisien nuju C2+ hidrokarbon (32, 33, 65-70).

Electrocatalysts bimetallic geus loba ditalungtik pikeun megatkeun hubungan skala salila konversi CO2 éléktrokimia, nu bisa nyaimbangkeun antara konci jeung nurunkeun overpotential jeung, ku kituna, dina gilirannana, ngaronjatkeun selectivity nu (71-74).Bari runtuyan bahan alloy kaasup Au-Cu, Ag-Cu, Au-Pd, sarta Cu-Pt geus nunjukkeun pikeun efisiensi tinggi produksi C1 ku stabilisasi antara kritis (73, 75), pangaruh alloy arah C2+ formasi hidrokarbon sigana. jadi leuwih kompleks (76).Contona, dina sistem bimetallic Cu-Ag, distribusi produk bisa gampang dikawasa ku tuning rasio atom permukaan Ag jeung Cu (77).Sampel anu beunghar Cu permukaan langkung dipikaresep pikeun produksi hidrokarbon, sedengkeun produk tina permukaan anu beunghar Ag didominasi ku CO, nunjukkeun pentingna rasio atom pikeun éléktrokatalis ECR alloyed.Pangaruh géométri disababkeun ku susunan atom lokal tiasa mangaruhan sacara signifikan kakuatan beungkeutan antara.Gewirth jeung ko-pagawe (36) némbongkeun yén alloy Cu-Ag ti electrodeposition aditif-dikawasa exhibited ~ 60% FE pikeun C2H4 dina electrolyzer aliran basa (Gbr. 3, A jeung B).Dina hal ieu, dioptimalkeun C2H4 selectivity bisa dihontal ku morfologi jeung Ag-loading tuning.Situs Ag dipercaya maénkeun peran promoter pikeun formasi CO salila ECR.Lajeng, kasadiaan optimal tina CO panengah bisa mantuan C─C gandeng di Cu tatangga.Sajaba ti éta, Ag ogé bisa ngamajukeun formasi Cu2O salila sintésis katalis Cu-Ag (Gbr. 3C), hasilna efisiensi produksi C2H4 ditingkatkeun.Sinergi ieu muka kamungkinan anyar pikeun ngembangkeun katalis gandeng C─C.Saterusna, pola campuran logam béda dina sistem alloy ogé bisa nangtukeun distribusi produk ECR.Ngagunakeun alloy Pd-Cu sabagé conto (Gbr. 3D), Kenis sareng rekan-rekan kerja (71) nunjukkeun yén katalis Pd-Cu anu dipisahkeun fase tiasa nawiskeun selektivitas anu paling luhur (~ 50%) pikeun C2H4 dibandingkeun sareng maréntahkeun sareng henteu teratur. sasama.Numutkeun téori d-band, ilaharna, logam transisi kalayan puseur d-band handap nembongkeun beungkeutan lemah tina in situ dihasilkeun perantara dina surfaces logam (78).Nalika alloy Pd-Cu anu dipisahkeun fase nunjukkeun selektivitas katalitik anu sami sareng kagiatan pikeun CO sareng nanopartikel Cu (NPs), éta nawiskeun kakuatan beungkeutan anu béda-béda ka arah perantara ku Pd tuning.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 3E, alloy Cu-Pd nu dipisahkeun fase némbongkeun puseur d-band panghandapna-bohong, sedengkeun nu Cu NP nyaéta pangluhurna.Ieu nunjukkeun yén alloy Cu-Pd dipisahkeun fase miboga kakuatan mengikat panghandapna pikeun CO panengah.Pengamatan ieu nunjukkeun yén pangaruh géométri sareng struktur tiasa maénkeun peran anu langkung ageung tibatan pangaruh éléktronik pikeun ningkatkeun selektivitas hidrokarbon dina kasus alloy Cu-Pd anu dipisahkeun fase.Nepi ka ayeuna, ngan ukur tambaga murni atanapi alloy dumasar tambaga anu nunjukkeun selektivitas sareng kagiatan anu langkung luhur pikeun réduksi éléktrokimia CO2 ka C2 + hidrokarbon.Ku kituna, perlu pisan ngamekarkeun electrocatalyst novel pikeun produksi hidrokarbon C2+ ti ECR.Diideuan ku hidrogénasi CO2, panilitian awal nunjukkeun yén alloy Ni-Ga kalayan fase anu béda-béda tiasa dianggo pikeun generasi C2H4 (79).Éta nunjukkeun yén pilem Ni5Ga3 tiasa ngirangan CO2 janten C2H4 sareng etana (C2H6).Sanajan FE nuju C2 + hidrokarbon kirang ti 5%, éta bisa muka garis anyar pikeun screening electrocatalyst arah C─C gandeng dumasar kana efek alloy.

(A nepi ka C) katalis bimetallic Cu-Ag fabricated ku electrodeposition aditif-dikawasa: (A) scanning mikroskop éléktron (SEM) kawat Cu, Cu-Ag poli, sarta kawat Cu-Ag jeung (B) pakait C2H4 FE.(C) EXAFS némbongkeun yén kawat Cu-Ag ieu homogeneously dicampurkeun jeung Cu (I) oksida dibere.(A) ka (C) dihasilkeun ku idin ti Amérika Kimia Society (36).(D jeung E) Katalis Cu-Pd kalayan pola campuran anu béda: (D) Ilustrasi, gambar transmisi mikroskop éléktron (TEM), sareng peta unsur spéktroskopi dispersif énergi tina alloy Cu-Pd anu diurutkeun, henteu teratur, sareng dipisahkeun fase sareng (E). ) spéktra photoemission band valénsi permukaan jeung puseur d-band (garis nangtung) tina alloy Cu-Pd relatif ka tingkat Fermi.(D) jeung (E) dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (71).au, hijian wenang.

Di sagigireun pangaruh alloy, manipulasi nagara oksidasi mangrupakeun prinsip utama sejen pikeun Ngepaskeun kinerja electrocatalysts, nu bisa mangaruhan struktur éléktronik lokal bahan.Conto munggaran pikeun kaayaan oksidasi tuning katalis nyaéta ngagunakeun bahan turunan oksida.Spésiés oksigén sésa dina beungeut atawa subsurface katalis sanggeus réduksi in situ bisa ngatur kaayaan oksidasi puseur logam.Contona, Cu dioksidasi plasma némbongkeun leuwih ti 60% selectivity arah C2H4, nu ieu ascribed ka réduksi-tahan Cu + (37).Pikeun mastikeun yén Cu + nyaéta parameter konci pikeun selektivitas étiléna luhur, urang ngalaksanakeun percobaan kontrol ngagunakeun plasma béda (Gbr. 4A).In situ hard x-ray spéktroskopi serepan salajengna némbongkeun yén sésa oksida dina lapisan permukaan (sub) stabil ngalawan kaayaan réduksi, kalawan jumlah signifikan spésiés Cu + sésana sanggeus 1 jam réduksi dina potentials rélatif luhur -1.2 V versus malik. éléktroda hidrogén (RHE).Saterusna, electroredeposition tambaga ti sol-gél tambaga oxychloride diverifikasi deui yén permukaan stabilized spésiés Cu + bisa ngaronjatkeun selektivitas C2H4 (61).Kaayaan oksidasi katalis tambaga dina poténsi anu béda-béda dilacak nganggo spéktroskopi nyerep sinar-x anu direngsekeun ku waktos.Léngkah transisi awal ti Cu2+ ka Cu+ gancang pisan;kumaha oge, réduksi éléktrokimia salajengna spésiés Cu + ka Cu0 jauh leuwih laun.Sabudeureun 23% spésiés Cu + tetep sanajan sanggeus 1-jam réduksi konstan dina -1,2 V versus RHE (Gbr. 4B).Panalitian mékanis ngungkabkeun yén antarmuka antara Cu + sareng Cu0 nyababkeun gaya tarik éléktrostatik antara perantara saprak atom C tina *CO@Cu+ bermuatan positip, sedengkeun *CO@Cu0 bermuatan négatif (80), anu salajengna ngamajukeun Kabentukna beungkeut C─C sahingga ngahasilkeun hidrokarbon C2+.Salian bahan turunan oksida, tambaga nitrida (Cu3N) ogé dipaké pikeun ngahontal (sub) permukaan Cu + spésiés pikeun ngurangan panghalang énergi dimerisasi *CO (81).Sajaba ti éta, dibandingkeun jeung Cu oksida turunan, Cu3N turunan spésiés Cu + malah leuwih stabil (Gbr. 4C).Hasilna, katalis tambaga anu turunan nitrida nunjukkeun FE 39 ± 2% pikeun C2H4, ngaunggulan Cu murni (~ 23%) sareng Cu turunan oksida (~28%).Sarua jeung sistem katalitik Cu+/Cu, boron geus dipaké salaku dopan heteroatom pikeun ngawanohkeun jeung nyaimbangkeun Cuδ+ (41).Kaayaan oksidasi rata-rata tambaga tiasa dikontrol tina +0.25 dugi ka +0.78 ku cara ngarobah konsentrasi dopan boron.Proyék kapadetan nagara némbongkeun yén éléktron ditransfer ti tambaga ka boron, ngarah kana dopant-ngainduksi muatan positif situs tambaga.Tambaga boron-doped némbongkeun énergi formasi ngaronjat tina *CHO panengah jeung, sahingga, diteken jalur réaksi ka arah produk C1.Salaku tambahan, éta tiasa ningkatkeun selektivitas ka arah hidrokarbon multikarbon ku ngirangan *énergi réaksi dimerisasi CO (Gbr. 4D).Ku ngaoptimalkeun kaayaan oksidasi permukaan rata-rata tambaga, C2 FE luhur ~ 80% sareng ~ 53% C2H4 tiasa dihontal dina kaayaan oksidasi tambaga rata-rata +0.35 (Gbr. 4E).Nepi ka ayeuna, situs aktip dina tambaga geus diidentifikasi minangka Cu0, Cuδ +, jeung / atawa panganteur maranéhanana pikeun ECR dina studi béda (39, 41, 42, 81, 82).Sanajan kitu, naon situs aktip masih keur didebat.Samentara katalis Cuδ+ anu diinduksi doping heteroatom parantos dibuktikeun aktip pisan pikeun ECR kana produk C2+, pangaruh sinergis tina defects sareng interfaces anu dibangkitkeun sakaligus ogé kedah dipertimbangkeun.Lantaran kitu, karakterisasi operando sacara sistematis kedah dikembangkeun pikeun ngaidentipikasi pusat aktip dina permukaan tambaga sareng ngawas potensi transformasi in situ tina situs aktip dina kaayaan réaksi.Salian ti éta, stabilitas tambaga anu muatanana positip mangrupikeun perhatian sanés dina kaayaan réduksi éléktrokimia.Kumaha nyintésis katalis jeung situs Cuδ+ stabil tetep tangtangan.

(A) Ringkesan selektivitas C2H4 tina katalis tambaga diaktipkeun plasma anu béda.Dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (37).Skala bar, 500 nm.(B) Babandingan kaayaan oksidasi Cu relatif ka waktu réaksi dina −1.2 V versus RHE dina tambaga electroredeposited.Dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (61).(C) Rasio spésiés Cu+ kalawan fungsi waktu réaksi dina −0,95 V versus RHE dina Cu-on-Cu3N atawa Cu-on-Cu2O.Dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (81).(D) Boron doping éta bisa ngarobah rata-rata énergi adsorption CO dina beungeut tambaga jeung nurunkeun CO─CO énergi dimerization.1[B], 2[B], 3[B], 4[B], jeung 8[B] nujul kana konsentrasi doping boron subsurface dina katalis tambaga, nyaéta 1/16, 1/8, 3/ 16, 1/4, jeung 1/2, masing-masing.(E) Hubungan antara kaayaan oksidasi jeung FE produk C2 atawa C1 dina katalis tambaga boron-doped.(D) jeung (E) dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (41).(F) gambar SEM tina foil tambaga jeung ketebalan béda film Cu2O saméméh (luhur) jeung sanggeus (handap) ECR.Dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (83).

Salian ti struktur éléktronik, bahan turunan oksida ogé tiasa nyababkeun morfologi atanapi évolusi struktur nalika prosés réduksi in situ.Ti sudut pandang morfologi atawa struktur, kinerja éléktrokimia ditingkatkeun tina éléktrokatalis turunan oksida geus attributed ka formasi wates sisikian aktip, edges, jeung hambalan (83-85).Yeo sareng rekan-rekan (83) ngalaporkeun gandeng C─C selektif dina film Cu2O electrodeposited kalayan ketebalan anu béda (Gbr. 4F).In situ Raman spéktroskopi ngungkabkeun yén beungeut pilem Cu2O diréduksi jadi Cu0 logam stabil salila ECR (83).Hasilna, Cu0 logam geus dikonfirmasi salaku puseur aktif katalitik tinimbang spésiés Cu + atawa panganteur Cu +/Cu0.Dina prosés ngurangan Cu2O jadi logam Cu0, beungeut katalis sigana in situ ngabentuk undak, edges, sarta undak.Ieu nunjuk kaluar yén undak jeung edges kabentuk leuwih aktip ti téras, asalna tina beungkeut kuat maranéhanana jeung *CO, nu bisa salajengna hidrogénasi *CO ka *CHO atawa *CH2O.Sajaba ti éta, atom Cu ujung mangrupa promoter pikeun naekeun formasi *CHO jeung *CH2O.Karya saméméhna ngusulkeun yén *CHO jeung *CH2O panengah leuwih nguntungkeun pikeun C─C gandeng ti * CO dina kinétika (86).Ku ngatur morfologi permukaan, énergi chemisorption tina *CHO jeung *CH2O antara bisa dioptimalkeun.Dina ulikan ieu, pangarang manggihan yén FE of C2H4 turun tina 40 nepi ka 22% nalika aranjeunna ngaronjat ketebalan film ipis Cu2O ti 0,9 nepi ka 8,8 μm.Ieu alatan konsentrasi Cu koordinasi low nu ngaronjat kalayan ngaronjatna ketebalan Cu2O.Atom-atom anu teu koordinasi ieu tiasa ngabeungkeut pisan sareng H sareng, ku kituna, langkung dipikaresep pikeun évolusi hidrogén tibatan gandeng C─C.Karya ieu nunjukkeun yén katalis tambaga turunan oksida tiasa sacara signifikan ningkatkeun selektivitas C2H4 ngalangkungan rekonstruksi morfologi permukaan tibatan ngenalkeun spésiés Cuδ+ anu dieusi.Ngagunakeun katalis turunan oksida, étana (C2H6) ogé dihasilkeun sacara selektif kalayan bantuan palladium(II) klorida (PdCl2) aditif dina éléktrolit (34).Ieu némbongkeun yén adsorbed PdClx dina beungeut Cu2O-turunan Cu maénkeun peran vital pikeun C2H6 évolusi.Sacara husus, CO2 mimitina diréduksi jadi C2H4 di situs Cu aktif turunan Cu2O, lajeng C2H4 nu kabentuk bakal hidrogénasi kalayan bantuan PdClx adsorbed pikeun ngahasilkeun C2H6.FE tina C2H6 ningkat tina <1 ka 30,1% kalayan bantosan PdCl2.Karya ieu nunjukkeun yén kombinasi katalis ECR anu jelas sareng aditif éléktrolit tiasa muka kasempetan énggal pikeun ngahasilkeun produk C2 + khusus.

Morfologi jeung / atawa pangaturan struktur ngagambarkeun strategi alternatif sejen pikeun modulate selektivitas katalitik jeung aktivitas.Ngadalikeun ukuran, bentuk, jeung facets kakeunaan katalis geus lega nunjukkeun pikeun perbaikan kinerja ECR (58, 87, 88).Contona, facet Cu(100) sacara intrinsik langkung dipikaresep pikeun generasi C2H4, sedengkeun produk anu didominasi tina katalis Cu(111) nyaéta métana (CH4) (87).Dina ulikan ngeunaan Cu nanocrystals kalawan rupa-rupa wangun jeung ukuran, Buonsanti jeung ko-pagawe (58) ngungkabkeun ukuran nonmonotonic gumantungna tina selektivitas C2H4 dina nanocrystals tambaga ngawangun kubus (Gbr. 5A).Sacara intrinsik, nanocrystals Cubic Cubic nunjukkeun kagiatan C2H4 sareng selektivitas anu langkung luhur tibatan nanocrystals Cu spherical kusabab dominasi facet (100).Ukuran kristal nu leuwih leutik Cubic Cu bisa nawarkeun aktivitas luhur alatan ngaronjat konsentrasi situs permukaan low-koordinasi, kayaning juru, undak, jeung kinks.Sanajan kitu, chemisorption kuat situs low-koordinasi ieu dibarengan ku H2 jeung CO selectivity luhur, hasilna FE hidrokarbon handap sakabéh.Di sisi anu sanés, rasio situs tepi ka situs pesawat turun kalayan paningkatan ukuran partikel, anu ogé mangaruhan kinerja produksi C2H4.Panulis nunjukkeun yén nanocubes tambaga ukuran panengah kalayan panjang ujung 44-nm nunjukkeun selektivitas C2H4 pangluhurna kusabab kasaimbangan anu dioptimalkeun antara ukuran partikel sareng dénsitas situs tepi.Saterusna, morfologi ogé bisa mangaruhan pH lokal sarta angkutan massa salila ECR.Parantos nunjukkeun yén pH lokal anu luhur di sakuriling permukaan katalis, anu disababkeun ku OH− in situ, ngahambat jalur réaksi anu kalibet ku proton.Hasilna, formasi hidrokarbon C2+ ngaliwatan *CO dimerization bisa ditingkatkeun, sarta CH4 kabentuk ngaliwatan *COH panengah bisa dihambat.Tambaga nanowire arrays (Gbr. 5B) geus nunjukkeun pikeun ngahontal ngaronjat pH lokal (68).Salaku éléktrolit ilahar dipaké, CO2 jenuh kalium bikarbonat (KHCO3) solusi bakal gancang neutralize OH- lokal (HCO3- + OH− = CO32- + H2O) jeung ngurangan pH lokal.Kalayan struktur mikro anu manjang, difusi HCO3− kana susunan kawat nano Cu tiasa kumaha waé dirusak ku kituna éfék nétralisasi pikeun OH- lokal bakal diteken sababaraha derajat.Dina dasar prinsip sarupa, meshes tambaga jeung mesopores persis dikawasa (Gbr. 5C) nunjukkeun FE ditingkatkeun pikeun produksi C2H4 atanapi C2H6 (32).Ieu némbongkeun yén pH lokal dina beungeut éléktroda bisa ngaronjat ku narrowing lebar pori, hasilna turun C1 produk FE jeung ditingkatkeun C2 produk FE.Salian ti éta, ku ningkatkeun jero pori, produk réduksi utama tiasa disaluyukeun tina C2H4 ka C2H6.FE tina C2H6 éta saluhur 46%.Kusabab bahan kimia parantos dipasrahkeun di jero pori-pori salami ECR, waktos ingetan anu berkepanjangan tina perantara konci anu disababkeun ku pori-pori anu langkung jero parantos dijelaskeun salaku alesan utama pikeun selektivitas tinggi kana hidrokarbon C2 jenuh.Cu nanofibers turunan Cu ogé némbongkeun selectivity tinggi arah C2H6 (FE = 30% dina -0.735 V versus RHE) (89).Morfologi anisotropik jeung roughness permukaan luhur Cui-turunan Cu nanofibers bisa ngaronjatkeun efisiensi trapping H2 diserep sahingga ngaronjatkeun FE of C2H6.

(A nepi ka C) Morfologi atawa épék struktur.(A) Kapadetan atom (sumbu kénca) jeung babandingan atom di situs ujung (Nedge) jeung atom dina (100) pesawat (N100) (sumbu katuhu) dina relevansi jeung panjang ujung (d).Dihasilkeun ku idin ti John Wiley and Sons (58).(B) Skéma morfologi ngabalukarkeun parobahan pH.Dihasilkeun ku idin ti John Wiley and Sons (68).(C) Selektifitas produk tambaga mesopore kalayan ukuran pori anu béda sareng jerona.Dihasilkeun ku idin ti John Wiley and Sons (32).(D nepi ka H) épék Ligand.(D jeung E) ECR on kawat nano tambaga (Cu NW) kalawan rupa-rupa asam amino (D) atawa modifiers (E) dina −1,9 V. dihasilkeun kalawan idin ti Royal Society of Chemistry (35).(F) Laju produksi C2H4 dina éléktrolit halida béda jeung poténsi adsorption béda dina Cu(35).Dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (91).NHE, éléktroda hidrogén normal.(G) FE tina C2H4 jeung CO dina konsentrasi béda éléktrolit KOH jeung (H) lamping Tafel of C2H4 dina konsentrasi béda éléktrolit KOH.(G) jeung (H) dihasilkeun tina Asosiasi Amérika pikeun kamajuan Élmu (AAAS) (33).

Modifikasi permukaan katalis nganggo molekul leutik mangrupikeun strategi anu terkenal pikeun ningkatkeun kamampuan éléktrokimia ECR.Strategi ieu tiasa mangaruhan lingkungan mikro caket permukaan katalis, anu tiasa nyaimbangkeun perantara konci kusabab interaksi antara ligan permukaan sareng perantara.Amina parantos dilaporkeun salaku modifier pikeun ngamajukeun ECR (35).Rupa-rupa asam amino, kaasup glisin (Gly), dl-alanin (Ala), dl-leucine (Leu), dl-triptofan (Tyr), dl-arginin (Arg), jeung dl-triptofan (Trp), geus ditalungtik pikeun diajar épék maranéhanana dina kawat nano tambaga (35).Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 5D, sakabéh ligan dumasar-asam amino sanggup ngaronjatkeun selektivitas hidrokarbon C2+.Paningkatan sapertos kitu nunjukkeun yén gugus fungsi ─COOH sareng ─NH2 dina asam amino sigana tanggung jawab kana selektivitas ECR anu ditingkatkeun.Laporan saméméhna digambarkeun yén adsorption asam amino dina beungeut Cu kahontal ngaliwatan duanana ─COOH jeung ─NH2 grup (35, 90).Asam stearat (C17H35COOH, RCO2H), anu ngan ukur ngandung gugus ─COOH, dipilih pikeun ngaidentipikasi peran ─COOH.Modifiers séjén, kayaning a-antrakuinon diazonium uyah (AQ), o-nitrobenzene diazonium uyah (PhNO2), sarta dodecyl mercaptan (C12H25SH, RSH), nu teu ngandung gugus ─COOH atawa ─NH2, ogé ditalungtik.Sanajan kitu, sakabéh éta teu positif pikeun C2 + hidrokarbon FE pamutahiran (Gbr. 5E).Itungan téoritis nunjukkeun yén gugus ─NH3+ dina glisin zwitterionic adsorbed bisa nyaimbangkeun *CHO panengah alatan interaksi kuat maranéhanana, kayaning beungkeut hidrogén.Bubuka ion halida kana éléktrolit nyaéta cara séjén pikeun ngaropea katalis (91, 92).Salaku ditémbongkeun dina Gbr. 5F, laju produksi C2H4 on plasma-diaktipkeun Cu bisa nyata ngaronjat kalayan bantuan aditif halida.Ditémbongkeun yén ion I− leuwih aktip ti Br− jeung Cl−, saluyu jeung énergi adsorpsi pakait I−, Br−, jeung Cl− dina Cu(100) facet (91).Salian ti halida, ion hidroksida ogé némbongkeun pangaruh positif kana selektivitas C2H4.Anyar, Sargent sareng rekan-rekan (33) ngalaporkeun konversi CO2-to-C2H4 sareng ~ 70% FE nganggo éléktrolit kalium hidroksida (KOH) (dugi ka 10 M) dina sél aliran.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 5G, potensi awal CO jeung C2H4 dina 10 M KOH éléktrolit éta leuwih handap dibandingkeun yen dina 1 M KOH.Saterusna, lamping Tafel (Gbr. 5H) formasi C2H4 turun kalayan ngaronjatna konsentrasi hidroksida (135 mV dékade-1 dina 1 M KOH jeung 65 mV dékade-1 dina 10 M KOH), suggesting nu transmutation tina sakabéh laju- nangtukeun léngkah.Hasil téori fungsional kapadetan (DFT) ngabuktikeun yén ayana hidroksida pekat bisa nurunkeun énérgi beungkeutan antara CO2 jeung ogé ngaronjatkeun teu saimbangna muatan antara dua atom karbon dina zat antara OCCO adsorbed.Hasilna, OCCO panengah bakal salajengna stabilized ngaliwatan atraksi dipole kuat, ngarah kana panghalang énergi aktivasina handap pikeun dimerization CO, nu lajeng bakal ngaronjatkeun kinerja sakabéh.

Oksigénat C2+ sapertos étanol (CH3CH2OH) mangrupikeun kategori utama produk ECR anu kacida berharga.Sintésis industri étanol mangrupikeun prosés anu intensif énérgi, anu ogé ngonsumsi seueur étiléna atanapi bahan baku tatanén (40).Ku kituna, produksi éléktrokatalitik étanol atawa oksigén C2+ séjén tina CO2 ngajadikeun loba rasa ékonomi jeung lingkungan.Kusabab generasi étanol tina ECR ngabagi perantara penultimate sareng C2H4 nyaéta *C2H3O (43), hidrogenasi selektif tina perantara ieu tiasa ngalihkeun jalur ECR tina C2H4 kana alkohol (64).Tapi, dina kalolobaan sistem, selektivitas kana oksigénat C2+ langkung handap tibatan hidrokarbon (31, 37, 39, 41, 42, 67).Ku kituna, dina bagian ieu, urang bakal nyorot strategi design electrocatalyst nu bisa ngahontal impressive C2 + oxygenate FE leuwih 25%.

Salaku dibahas di luhur, katalis bimetallic dirancang ogé bisa ngaronjatkeun selektivitas sarta aktivitas pikeun produksi hidrokarbon C2+.Strategi anu sami tapi henteu sami ogé parantos dianggo pikeun ningkatkeun kamampuan éléktrokatalitik pikeun C2 + oxygenates (38, 93, 94).Salaku conto, katalis Cu-Cu2O anu dilebetkeun Ag nunjukkeun selektivitas étanol, sareng FE étanol pangluhurna nyaéta 34.15% (95).Wates biphasic dina alloy Ag-Cu campuran fase, tinimbang rasio atom Ag / Cu, diidentifikasi minangka faktor konci pikeun produksi selektif étanol.Kusabab situs Cu caket pisan sareng situs Ag dina pola campuran fase (Ag-Cu2OPB), laju formasi perantara étanol pikeun sampel campuran fase tiasa ningkat dibandingkeun sareng anu dipisahkeun fase (Ag-Cu2OPS). ), ngarah kana kinerja generasi étanol anu hadé.Di sagigireun étanol, Cu-Ag bimetallic NPs ogé geus ditémbongkeun ka ngarobah CO2 jadi asétat ditambah benzotriazole (93).Dina −1.33 V versus RHE, FE asétat éta 21.2%.Dua jalur réaksi anu mungkin diusulkeun dina hal ieu: Hiji dumasar kana dimerisasi CO, sareng anu sanésna dina sisipan CO, nyorot peran kritis formasi perantara CO dina situs Ag aktif.A observasi sarupa ieu dilaporkeun dina katalis Cu-Zn (Gbr. 6, A jeung B) pikeun produksi étanol (38).Ku nyaluyukeun eusi Zn dina katalis paduan Zn-Cu, babandingan étanol versus C2H4 FE bisa dikawasa ogé dina rentang 0,48 nepi ka 6, suggesting pentingna situs ngembang CO pikeun formasi C2 + oxygenate.Pembentukan katalis paduan tiasa nyababkeun pangaruh galur dina bahan matriks, anu kadang-kadang henteu dipikahoyong.Ku kituna, jalur langsung ka arah katalis bimetallic bisa jadi leuwih cocog pikeun sababaraha produk target.Jaramillo sareng rekan-rekan (96) ngawangun sistem bimetal Au-Cu anu disederhanakeun, disintésis ku déposisi langsung NP emas kana foil Cu polycrystalline, pikeun nalungtik pangaruh katalisis tandem.Au-Cu bimetallic némbongkeun selektivitas sinergis jeung aktivitas ka arah C2 + alkohol, outperforming tambaga murni jeung emas, sarta alloy Au-Cu.Dibandingkeun jeung Cu foil, sistem Au-Cu bimetallic némbongkeun ngaronjat konsentrasi CO lokal alatan ayana Au NPs (Gbr. 6C) anu aktip pikeun generasi CO.Kusabab emas henteu aktip pikeun réduksi CO, laju produksi alkohol C2+ ditingkatkeun dina katalis bimetal Au-Cu dianggap mékanisme katalisis tandem.Husus, NPs emas bisa ngahasilkeun konsentrasi CO lokal luhur deukeut beungeut Cu.Salajengna, molekul CO lokal loba pisan bisa salajengna diréduksi jadi C2+ alkohol ku Cu.

(A nepi ka C) épék alloy.(A) FE maksimum étanol jeung C2H4 jeung babandingan FE étanol jeung étiléna dina rupa-rupa alloy Cu-Zn.(B) Kapadetan ayeuna parsial étanol dina rupa-rupa alloy Cu-Zn.(A) jeung (B) dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (38).(C) réduksi CO2 jeung laju évolusi CO dina emas, tambaga, jeung sistem bimetallic Au-Cu.Dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (96).(D mun L) Morfologi atawa épék struktur.(D) Ilustrasi skéma tina métoda siklus ion logam.(E jeung F) SEM gambar tina 100-siklus Cu saméméh (E) jeung sanggeus (F) nu prereduction dina kaayaan ECR.(G) TEM jeung difraksi éléktron wewengkon dipilih nunjukkeun yén Cu(100) kakeunaan jeung (H) énergi bébas pikeun *OCCO jeung *OCCHO formasi on Cu(100), Cu(111), jeung Cu(211) facets.(D) ka (G) dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (42).(I) Rasio oksigénat jeung hidrokarbon salaku fungsi poténsial dina Cu(111), Cu(751), jeung Cu(100).(J) Jumlah koordinasi pikeun Cu(111), Cu(100), jeung Cu(751).(I) jeung (J) dihasilkeun ku idin ti National Academy of Sciences (97).(K) Skéma prosés transformasi tina Cu NPs kana tambaga kawas kubik.Dihasilkeun ku idin ti National Academy of Sciences (98).(L) Gambar SEM tina tambaga nanodendritik sateuacan sareng saatos ECR.Dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (99).

Paparan selektif rupa kristal pikeun electrocatalysts geus ditémbongkeun salaku pendekatan éféktif jeung lugas pikeun ngahontal FE ditingkatkeun kana produk ECR husus sarta cara penting pikeun pamahaman fundamental.Sintésis basajan tapi scalable tina katalis kristal tunggal anu nangtang.Diideuan ku galvanostatic ngecas-discharging (GCD) prosedur pikeun accu, grup kami ngembangkeun hiji metoda siklus ion logam (Gbr. 6D) pikeun selektif ngalaan facet kristal tina katalis Cu (42).Saatos 100 siklus GCD, a padet Cu nanocube Asép Sunandar Sunarya dina Cu foil kalawan kakeunaan (100) facets (Gbr. 6, E mun G).Katalis 100-siklus nampilkeun FE alkohol C2+ sadayana langkung ti 30% sareng kapadetan arus alkohol C2+ anu saluyu langkung ti 20 mA cm−2.Sanajan kitu, 10-siklus Cu kalawan rasio handap tina (100) facet ngan ditawarkeun a C2 + alkohol FE tina ~ 10%.simulasi DFT dikonfirmasi yén Cu (100) jeung stepped (211) facets leuwih nguntungkeun pikeun C─C gandeng leuwih Cu (111), ditémbongkeun saperti dina Gbr. 6H.Hiji model katalis, pilem Cu epitaxial kalawan facets kakeunaan béda, geus dipaké pikeun nangtukeun motif-situs aktip nuju produksi C2 + oxygenate (Gbr. 6I) (97).Kusabab sacara statistik kurang kamungkinan pikeun dimer CO* padeukeut jeung atom H* dina beungeut cai kalawan tatanggana leuwih saeutik, situs Cu koordinat handap bisa ngurangan formasi hidrokarbon jeung ngakibatkeun ningkat C2+ oxygenate FE sabab leuwih hese hidrogénasi. C─C gandeng ECR perantara dina beungeut cai na (97).Dina ulikan pilem Cu epitaxial, pangarang dikonfirmasi yén ECR dina Cu (751) facet némbongkeun ningkat ratio oxygenate / hidrokarbon.enhancement Ieu bisa ascribed kana permukaan Cu atom géométri rupa Cu facets béda jeung pakait angka koordinasi rata handap (Gbr. 6J), dimana Cu atom ngagabung, masing-masing, kalawan dua, opat, jeung genep tatangga pangdeukeutna on Cu (751), Cu(100), jeung Cu(111) facets.In situ morfologi rekonstruksi ogé geus dipaké pikeun ngaronjatkeun C2 + oxygenate FE.Katalis Cu-kawas kubus aktif dikembangkeun ku Yang sareng rekan-rekan kerja (98), anu nunjukkeun prestasi kopling C─C ningkat.Sacara rinci, monodisperse Cu NPs (6.7 nm) kalawan loadings béda disimpen kana rojongan kertas karbon salaku katalis pikeun ECR.Jelas, ngaronjat FE tina C2 + oxygenates dititénan kalayan kanaékan Cu NP loading.Ieu ditémbongkeun yén densely dipak Cu NPs dina kaayaan loading tinggi underwent in situ transformasi morfologis salila ECR, nu morfologi kubus-kawas panungtungan kabentuk (Gbr. 6K).Struktur nu anyar kabentuk ieu kapanggih janten langkung electrocatalytically aktip.Analisis Tafel ngusulkeun yén dimerisasi CO nyaéta léngkah anu nangtukeun laju pikeun formasi produk C2, sedengkeun n-propanol nunjukkeun jalur diskrit dina sistem katalitik ieu.Tambaga nanodendritik mangrupikeun conto sanés anu nunjukkeun pentingna kontrol morfologi pikeun produksi oksigén C2 + (99).Sakeudeung, total FE tina nanodendrite tambaga well-diartikeun (Gbr. 6L) pikeun C2 + alkohol éta ngeunaan 25% dina −1.0 V versus RHE.Hiji n-propanol FE impressive tina 13% bisa dihontal dina −0.9 V. Mertimbangkeun aktivitas luhur atom Cu, katalis basis tambaga sok ngalaman degradasi struktural salila ECR, utamana dina overpotential tinggi, nu, kahareupna ngabalukarkeun goréng. stabilitas.Nanging, tambaga nanodendritik sapertos kitu nunjukkeun stabilitas anu saé pikeun produksi alkohol, nunjukkeun FE alkohol ~24% salami 6 jam.

Defects of electrocatalysts, kayaning vacancies atom na dopants, némbongkeun kamungkinan adsorbing perantara ECR unconventional tur, sahingga, selektif enhancing jalur pakait nuju oxygenates (29, 43, 100).Nyandak *C2H3O sabagé conto, nu potensi panengah penultimate pikeun étiléna jeung produksi étanol, Sargent jeung ko-pagawe (43) diajar peran defects dina inti-cangkang Cu electrocatalyst di jéntré.Aranjeunna sacara téoritis nunjukkeun yén halangan énergi réaksi pikeun formasi étiléna sareng étanol sami dina tahap gandeng C─C awal (0.5-V overpotential) (Gbr. 7A).Dina kaayaan kitu, bubuka lowongan tambaga bakal rada nambahan halangan énergi pikeun formasi étiléna, tapi teu némbongkeun pangaruh kana generasi étanol (Gbr. 7B).Sanajan kitu, sakumaha ditémbongkeun dina Gbr. 7C, katalis tambaga jeung lowongan na subsurface walirang dopant bisa nyata ngaronjatkeun halangan énergi pikeun jalur étiléna, sahingga thermodynamically nguntungkeun.Tapi, modifikasi sapertos kitu nunjukkeun éfék anu teu pati penting dina jalur étanol.Fenomena ieu salajengna diverifikasi sacara ékspérimén.A inti-cangkang terstruktur Cu2S-Cu kalawan vacancies permukaan loba pisan (Cu2S-Cu-V; Gbr. 7D) ieu disintésis.Babandingan alkohol jeung étiléna ngaronjat tina 0,18 on Cu NPs bulistir 0,34 on kosong kosong Cu2S-Cu lajeng ka 1,21 on Cu2S-Cu-V, sanajan total FE produk C2 + pikeun sakabéh katalis tetep sarupa (Gbr. 7E) .Observasi ieu nunjukkeun yén promosi selektivitas alkohol pakait sareng suprési produksi étiléna, konsisten sareng hasil DFT.Salaku tambahan, rékayasa cacad maénkeun peran anu langkung penting pikeun katalis karbon bébas logam sabab bahan karbon murni henteu aktip pikeun ECR.Dopan sapertos nitrogén sareng boron parantos dianggo pikeun ngarobih struktur éléktronik katalis dumasar karbon (31, 43, 100).Contona, pilem nanodiamond-doped nitrogén (NDD) dina substrat silikon ieu devolved ku Quan dkk.(29) pikeun produksi asétat selektif ti ECR (Gbr. 7F).Poténsi awal asétat éta sahandapeun −0.36 V versus RHE maké katalis NDD, sarta FE pikeun asétat éta leuwih ti 75% dina rentang poténsi ti -0.8 mun -1.0 V versus RHE.Pikeun ngartos asal-usul pamutahiran anu pikaresepeun, éléktroda NDD / Si kalayan eusi nitrogén anu béda atanapi spésiés nitrogén disiapkeun sareng ditalungtik (Gbr. 7G).Nu nulis menyimpulkan yén kinerja unggulan katalis NDD / Si pikeun ECR bisa attributed ka overpotential tinggi na pikeun évolusi hidrogén jeung N doping, dimana spésiés N-sp3C aktip pisan pikeun produksi asétat.Data éléktrokinétik jeung spéktrum infra red in situ ngungkabkeun yén jalur utama pikeun formasi asétat bisa jadi CO2 → *CO2− → *(COO)2 → CH3COO−.Di sagigireun nitrogén, boron mangrupa heteroatom séjén well-dijajah pikeun ngatur struktur éléktronik nanodiamond.Tapi, boron-doped nanodiamond (BDD) preferentially ngurangan CO2 jadi formaldehida atawa formate (101).Salajengna, Quan sareng rekan-rekan (102) nunjukkeun yén boron sareng nitrogen co-doped nanodiamond (BND) nunjukkeun pangaruh sinergis dina ECR, anu tiasa ngatasi watesan BDD teras sacara selektif ngahasilkeun étanol.BND1, BND2, sarta katalis BND3 kalawan eusi nitrogén béda jeung tingkat doping boron sarupa disiapkeun.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 7H, selektivitas pangluhurna étanol nepi ka 93% bisa dihontal dina katalis BND3 dina −1.0 V versus RHE, nu boga doping nitrogén pangluhurna.Itungan téoritis ngagambarkeun yén prosés gandeng C─C dina BND nguntungkeun sacara termodinamika, dimana atom boron ngamajukeun néwak CO2 sareng dopan nitrogén ngagampangkeun hidrogénasi perantara ka arah étanol.Sanajan nanodiamond-doped heteroatom mampuh ngarobah CO2 jadi oksigénat multikarbon kalawan selektivitas tinggi, aktivitas ECR na pohara kawates alatan prosés mindahkeun muatan laun (dénsitas ayeuna kirang ti 2 mA cm−2).Bahan berbasis graphene tiasa janten solusi anu poténsial pikeun ngatasi kakurangan katalis dumasar inten.Sacara téoritis, situs N piridinik ujung dina lapisan graphene geus dicokot salaku situs aktip pikeun gandeng C─C (103).Ieu alatan kanyataan yén ayana N piridin dina situs tepi bisa ngarobah CO2 jadi CO, nu bisa salajengna gandeng kana molekul C2+ (Gbr. 7I).Contona, perantara *C2O2 bisa distabilkeun dina karbon-doped nitrogén nu dua atom C kabeungkeut kana N piridin jeung atom C padeukeutna, masing-masing (103).Prediksi téoritis lajeng disahkeun maké nitrogén-doped graphene quantum dot (NGQD) katalis (31).Saatos pulverization of nitrogén-doped graphene lambar (1 nepi ka 3 μm) (Gbr. 7J), 1- nepi ka 3-nm NGQDs dicandak nu dénsitas pyridinic N dina situs ujung ngaronjat ku tilu ordo gedena.Dina −0.78 V versus RHE, FE maksimum pikeun C2+ oxygenates bisa ngahontal nepi ka 26%.Sajaba ti éta, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 7K, dénsitas ayeuna parsial pikeun C2 + oxygenates deukeut 40 mA cm−2 di -0,86 V versus RHE, nu loba nu leuwih luhur ti nanodiamond dirobah.Dina babandingan, titik-titik kuantum graphene N-bébas jeung graphene oksida N-doped, nu nembongkeun leuwih handap situs ujung pyridinic N, utamana yielded H2, CO, jeung formate.

(A nepi ka C) Gibbs énergi bébas tina *C2H3O mun étiléna jeung étanol pikeun tambaga, tambaga jeung lowongan, sarta tambaga jeung vacancy tambaga jeung walirang subsurface.(D) Ilustrasi skéma tina katalis Cu2S-Cu-V.(E) FE alkohol C2+ jeung étiléna, ogé babandingan FE alkohol jeung alkéna.(A) ka (E) dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (43).(F) SEM gambar NDD.(G) Laju produksi asétat sareng format dina NDD kalayan eusi nitrogén anu béda.dina %, atom%.(F) jeung (G) dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (29).(H) FEs pikeun NDD, BDD, sarta BNDs dina −1.0 V. dihasilkeun kalawan idin ti John Wiley jeung Putra (102).(I) Ilustrasi skéma tina situs aktip pikeun gandeng C─C di NGQDs.(I) dihasilkeun ku idin ti American Chemical Society (103).(J) TEM gambar NGQDs.Skala bar, 1 nm.(K) Kapadetan ayeuna parsial pikeun sagala rupa produk ngagunakeun NGQDs.(J) jeung (K) dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (31).

Saluareun éléktrokatalis, éléktroda sareng desain arsitéktur reaktor katalitik nampilkeun rute anu épéktip pikeun ningkatkeun kinerja ECR, khususna pikeun tingkat produksi sareng efisiensi énergi.Perbaikan anu signifikan parantos dilakukeun dina desain sareng fabrikasi sistem réduksi éléktronik énggal pikeun ngahontal produksi C2 + anu éfisién pisan.Dina bagian ieu, urang bakal ngabahas desain éléktroda / réaktor ECR sacara rinci.

Sél tipe H sacara éksténsif dipaké dina tés skala lab, tempo assembly facile maranéhanana, operasi gampang, sarta béaya rendah.Sélna dilengkepan ku katoda mandiri sareng kamar anoda anu dihubungkeun ku mémbran penukar ion (104, 105).The disadvantage primér sél H-tipe ieu kaleyuran CO2 low dina éléktrolit cai, nu ngan 0,034 M dina kaayaan ambient, anjog ka kawates CO2 réduksi dénsitas arus j <100 mA cm−2 (64).Leuwih ti éta, drawbacks intrinsik séjén, kaasup aréa permukaan éléktroda kawates sarta jarak interelectrode badag, geus gagal pikeun minuhan sarat panalungtikan tumuwuh (105, 106).Pikeun generasi produk C2+, sél tipe-H biasana némbongkeun selektivitas low dina overpotentials tinggi, misalna, 32% pikeun étiléna dina -0,98 V versus RHE (107), 13,1% pikeun n-propanol dina -0,9 V versus RHE (99), jeung 20,4% pikeun étanol dina −0,46 V versus RHE (108), alatan évolusi hidrogén kalapa serius.

Pikeun ngajawab masalah di luhur, reaktor aliran diusulkeun (15, 109).Dina sél aliran, aliran CO2 gas bisa langsung dipaké salaku feedstock di katoda, sahingga ngarah kana nyata ningkat difusi massa jeung laju produksi (104, 110).Gambar 8A nembongkeun arsitektur has sél aliran, dimana mémbran éléktrolit polimér (PEM) dilayanan salaku separator éléktroda anu sandwiched antara dua saluran aliran.Katalisna dialihkeun kana éléktroda difusi gas (GDE) pikeun dijadikeun éléktroda katoda, dimana gas CO2 langsung disuap.Katolit, sapertos 0,5 M KHCO3, terus dialirkeun dina lapisan ipis antara éléktroda katalis sareng PEM.Sajaba ti éta, sisi anoda ilaharna medar kalawan éléktrolit cai pikeun réaksi évolusi oksigén (43, 110).Dibandingkeun jeung sél H-tipe, sél aliran dumasar-mémbran ieu némbongkeun kinerja ECR teuing unggul.Contona, Sargent jeung ko-pagawe (43) dievaluasi kinerja ECR tina katalis Cu2S-Cu-V dina duanana H-tipe sél jeung sél aliran, sakumaha digambarkeun dina Gbr. 8 (B mun E).Ngagunakeun sél tipe-H, FE maksimum pikeun produk C2 + éta 41% kalawan total kapadetan ayeuna ~30 mA cm−2 handapeun -0.95 V versus RHE.Sanajan kitu, FE pikeun produk C2+ ngaronjat nepi ka 53% kalawan total kapadetan ayeuna gampang ngaleuwihan 400 mA cm−2 dina −0.92 V versus RHE dina sistem aliran.Perbaikan kinerja anu signifikan sapertos nganggo réaktor aliran tiasa diturunkeun kana difusi CO2 anu ditingkatkeun sareng réaksi samping anu diteken, utamina asalna tina arsitéktur antarmuka triple-interface gas-éléktrolit-katalis lokal.

(A) Diagram aliran éléktroliser sareng skématik dizum-in antar muka éléktroda-éléktrolit.(A) dihasilkeun ku idin ti John Wiley and Sons (30).(B ka E) Babandingan kinerja ECR maké sél H-tipe jeung sél aliran.(B) nepi ka (E) dihasilkeun ku idin ti Nature Publishing Group (43).(F ka H) Éléktrolit béda dilarapkeun dina sél aliran versus kinerja ECR.(F) ka (H) dihasilkeun ku idin ti John Wiley jeung Putra (30).(I ka K) Struktur jeung stabilitas kinerja éléktroda difusi gas basis polimér.(I) ka (K) dihasilkeun ku idin ti AAAS (33).

Sél celah enol nyaéta kelas éléktrolisis anu muncul deui, anu salajengna ngaleungitkeun saluran aliran dina sél aliran sareng mencét dua éléktroda sareng mémbran penukar ion di antawisna.Konfigurasi ieu sacara signifikan tiasa ngirangan transfer massa sareng résistansi transfer éléktron sahingga ningkatkeun efisiensi énérgi, janten langkung tiasa dianggo dina aplikasi praktis (110).Réaktan anu diasupkeun kana katoda tiasa boh katolit jenuh CO2 atanapi aliran CO2 anu dilembabkeun.Uap cai atawa éléktrolit cai wajib diasupkeun ka anoda pikeun ngaleupaskeun proton pikeun ngimbangan muatan spésiés réduksi CO2 (111).Gutiérrez-Guerra et al.(109) ngaevaluasi kinerja katalis hibrid Cu-AC dina sél gap enol sareng ngalaporkeun yén asetaldehida mangrupikeun produk utama kalayan selektivitas anu luhur 60%.Salaku kaunggulan sejen tina alat ieu, éta pisan gampang pressurize aliran réaktan jeung nyata ningkatkeun konsentrasi CO2 lokal, sahingga hasilna kapadetan ayeuna badag sarta laju réaksi tinggi (110).Sanajan kitu, laju bursa ion gancangan dina sél gap enol condong acidify katolit, shifting réaksi ka arah évolusi H2 tinimbang ngurangan CO2 (112).Pikeun tackle masalah ieu, Zhou jeung ko-pagawe (112, 113) diselapkeun lapisan panyangga ku éléktrolit cai sirkulasi antara katoda jeung mémbran pikeun ngajaga pH ditangtoskeun deukeut katoda pikeun réaksi réduksi CO2.Sanaos rupa-rupa produk C2+ dideteksi dumasar kana sél celah enol, kalebet aseton, étanol, sareng n-propanol, FE masih kawilang rendah.Kaseueuran studi anu dilaporkeun sok difokuskeun produk C1 anu ngalibatkeun langkung seueur jumlah proton sareng transfer éléktron salami réaksi réduksi.Ku alatan éta, feasibility sél gap enol pikeun produk C2 + masih dina perdebatan (110).

Leuwih ti éta, sél electrolytic microfluidic (MECs) mangrupakeun jenis konfigurasi electrolyzer kacida pikaresepeun dikembangkeun ku Kenis jeung ko-pagawe (39, 114).Dina alat ieu, mémbran diganti ku spasi ipis (<1 mm dina ketebalan) ngeusi aliran éléktrolit ngalir pikeun misahkeun anoda jeung katoda.Molekul CO2 tiasa gancang kasebar kana antarmuka éléktroda-éléktrolit caket katoda, sareng dua GDE tetep disiram ku aliran éléktrolit.Dibandingkeun sareng sél aliran berbasis mémbran, MEC henteu ngan ukur ngahindarkeun biaya mémbran anu luhur tapi ogé ngirangan manajemén cai, anu khususna nujul kana anoda garing-kaluar sareng banjir katoda nalika dioperasikeun dina kapadetan arus anu luhur kusabab seret osmotik molekul cai sareng. angkutan proton ti anoda ka katoda ngaliwatan mémbran (115).Sajauh kami terang, sanajan merits noticeable sarta prestasi, jumlah minimal studi geus kahontal produk C2 + dina MECs aslina.Ieu meureun disababkeun ku éfék "ngambang" yén proton kabentuk dina anoda gampang lemes tina sabudeureun katoda atawa dikumbah jauh ku éléktrolit ngalir, tinimbang milu dina sababaraha proton diperlukeun réaksi formasi C2 +.Spekulasi bisa dikonfirmasi ku conto di handap ieu.Dina 2016, Kenis sareng rekan-rekan (31) ngalaporkeun réduksi suksés CO2 kana produk C2 + dina MEC anu dirobih sareng ngandung mémbran, dimana NGQD tiasa ngirangan molekul CO2 ka C2 + kalayan 55% FE (31% pikeun étiléna, 14% pikeun étanol, 6% pikeun asétat, jeung 4% pikeun n-propanol) dina poténsi dilarapkeun −0,75 V versus RHE dina 1 M solusi KOH.Penting pikeun nunjukkeun yén lingkungan éléktrolit ogé tiasa mangaruhan sacara signifikan selektivitas produk.Contona, Jiao jeung rekan-rekan (30) disintésis katalis Cu nanoporous lajeng diuji kinerja ECR na ngagunakeun éléktrolit béda (KHCO3, KOH, K2SO4, sarta KCl) dina MEC basis mémbran.Aranjeunna ngungkabkeun yén réduksi CO2 dina éléktrolit basa (KOH) nunjukkeun selektivitas C2 + pangluhurna sareng dénsitas ayeuna, sapertos anu dipidangkeun dina Gbr. 8 (F sareng G).Dina −0.67 V versus RHE dina 1 M KOH éléktrolit, anu diala FE pikeun C2 + ngahontal nepi ka 62% kalawan dénsitas ayeuna parsial 653 mA cm−2, nu diantara kapadetan arus pangluhurna nu kungsi dilaporkeun dina réduksi CO2 éléktrokimia. nuju produk C2+.Étiléna (38,6%), étanol (16,6%), jeung n-propanol (4,5%) nyaéta produk C2+ utama kalawan jumlah leutik asétat.Éta ogé nunjukkeun yén aya korelasi anu kuat antara pH permukaan anu diitung sareng FE pikeun produk C2 +: Beuki luhur pH permukaan, dénsitas arus anu langkung luhur sareng ngahasilkeun produk C2 +, sapertos anu digambarkeun dina Gbr. 8H.Itungan téoritis ngusulkeun yén deukeut-beungeut OH-ion ion bisa niatna mempermudah C─C gandeng (31).

Salian konfigurasi éléktrolisis, éléktrolit anu diterapkeun dina éléktrolisis anu béda ogé tiasa ngarobih sacara signifikan produk ECR ahir.Sakumaha didadarkeun di luhur, solusi KOH kacida basa sok dipaké dina sél aliran kalawan kinerja alus teuing tinimbang dina sél H-tipe.Hal ieu ascribed kanyataan yén KOH éléktrolit bisa nyadiakeun konduktivitas éléktrolit luhur, ngurangan résistansi ohmic antara lapisan éléktrolit ipis dina katalis jeung éléktrolit bulk, sarta salajengna ngurangan overpotentials diperlukeun pikeun formasi C2+ (31).Hasil DFT salajengna mastikeun yén ayana ion OH− bisa nurunkeun panghalang énergi pikeun dimerisasi CO, sahingga boosting formasi C2+ jeung suppressing kompetisi ti formasi C1 jeung H2 (30, 33).Sanajan kitu, KOH basa teu bisa dipaké salaku éléktrolit dina sél tipe-H.Ieu kusabab aliran CO2 bakal gancang ngaréaksikeun sareng solusi KOH sareng anu terakhir nyiptakeun solusi bikarbonat kalayan pH nétral dina sél jinis H (30).Dina sél aliran, kumaha oge, sakali CO2 diffuses ngaliwatan GDE, molekul CO2 bakal dikonsumsi dina fase wates triple (CO2-katalis-éléktrolit) pikeun ngabentuk produk ngurangan langsung.Salian ti éta, kapasitas panyangga éléktrolit anu goréng tiasa gancang ningkatkeun pH sabudeureun éléktroda dina konfigurasi éléktrolit stasioner, sedengkeun éléktrolit anu ngalir bakal nyegerkeun permukaan sareng ngaminimalkeun fluktuasi pH dina éléktrolit (33, 116).

Sakumaha didadarkeun di luhur yén ECR mangrupakeun réaksi difusi-dikawasa, tekanan réaksi tinggi ogé bisa nyata ningkatkeun bulk tur panganteur konsentrasi CO2.Réaktor tekanan tinggi umumna sami sareng autoclave stainless steel, dimana CO2 tekanan tinggi (dugi ka 60 atm) tiasa diwanohkeun kana sél, ngarah kana paningkatan anu luar biasa dina FE sareng dénsitas ayeuna C2 + (117). , 118).Sakata sareng rekan padamel (119) nunjukkeun yén dénsitas ayeuna tiasa ningkat kana 163 mA cm−2 handapeun 30 atm dina éléktroda Cu sareng étiléna salaku produk utama.Loba katalis logam (misalna Fe, Co, jeung Ni), tanpa aktivitas produksi C2+ dina tekanan ambient, bisa ngurangan CO2 jadi étiléna, étana, propana, jeung produk C2+ urutan luhur lianna dina tekenan elevated.Parantos nunjukkeun yén selektivitas produk sacara signifikan gumantung kana tekanan CO2 dina cara ngarobih kasadiaan CO2 dina permukaan éléktroda (117, 120).Produk pangurangan utama dirobah tina H2 jadi hidrokarbon (kaasup C2+) jeung pamungkas jadi CO/HCOOH kalawan tekanan CO2 ngaronjat.Utamana, tekanan CO2 kudu taliti diawaskeun sabab kaleuleuwihan tinggi atawa low CO2 tekenan bakal dipicuna laju difusi CO2 superfluous atawa kawates, nu condong ni'mat produksi CO / HCOOH atawa H2.Ngan sajumlah CO perantara anu cocog sareng dénsitas arus anu dihasilkeun dina permukaan éléktroda tiasa ngagampangkeun réaksi gandeng C─C sareng ningkatkeun selektivitas produk C2+ (119).

Ngarancang hiji éléktroda novel kalawan struktur canggih mangrupa arah penting séjén pikeun ningkatkeun produksi C2 + selektif.Dina tahap awal, éléktroda gawé téh nonporous foils logam jeung kakurangan tina mindahkeun massa sluggish (26, 105).Hasilna, GDE diusulkeun pikeun ngirangan kinerja sél anu goréng ku nyayogikeun saluran hidrofobik anu ngagampangkeun difusi CO2 kana partikel katalis (121).GDE konvensional biasana ngandung lapisan katalis (CL) jeung lapisan difusi gas (GDL), ditémbongkeun saperti dina bagian handap Gbr. 8A (30, 33).Antarbeungeut gas-cair-katalis anu dibentuk dina GDE penting pisan pikeun ningkatkeun kinerja sél.GDL anu dirakit kalayan bahan porous (biasana kertas karbon) tiasa nyayogikeun jalur CO2 anu seueur sareng mastikeun laju difusi éléktrolit anu gancang.Éta ogé bertindak salaku médium transportasi résistansi rendah pikeun proton, éléktron, sareng produk réduksi tina CL kana éléktrolit (121).Drop casting, airbrushing, sarta electrodeposition mangrupakeun téknologi umum pikeun persiapan GDEs (122).Katalis anu dirakit sareng GDE parantos ditaliti sacara intensif dina réduksi éléktromagnétik CO2 kana produk C2+.Utamana, sél aliran anu disebut tadi kalayan kinerja anu nguntungkeun sadayana digandeng sareng GDE.Dina awal taun 1990, Sammells sareng rekan-rekan kerja (123) ngalaporkeun yén GDE anu dilapisan Cu ngahontal FE anu luhur 53% pikeun étiléna kalayan kapadetan luhur 667 mA cm−2.Ningkatkeun selektivitas étiléna sareng étanol mangrupikeun tangtangan utama anu sering diproduksi ku katalis dumasar-Cu kusabab jalur réaksi mékanisna anu sami.Leuwih ti éta, hal anu penting pikeun nunjuk kaluar yén produktivitas elevated tur selektivitas étiléna dibandingkeun étanol geus katalungtik on Cu basis GDE (25, 36).Gewirth sareng rekan-rekan kerja (36) nunjukkeun FE anu saé 60% pikeun étiléna sareng FE anu diteken pikeun étanol 25% dina Cu-Ag GDE anu didépositokeun, nalika total dénsitas arus ngahontal ~300 mA cm−2 dina −0,7 V versus RHE.Ieu mangrupikeun karya anu jarang anu ngahontal selektivitas anu luhur dina kapadetan arus anu ageung.Pananjung ieu nunjukkeun yén éléktroda anu dilebetkeun GDE nyayogikeun jalan anu ngajangjikeun pikeun nyetél jalur réaksi, dimana selektivitas produk anu diréduksi tiasa didapet dina dénsitas arus anu luhur.

Stabilitas GDE ogé mangrupikeun masalah anu penting anu kedah diurus sabab operasi jangka panjang anu stabil penting pikeun ngawujudkeun aplikasi praktis pikeun sél aliran.Sanajan kinerja CO2-to-C2 + beredar dihontal kalawan GDEs, stabilitas masih goréng alatan adhesion mékanis lemah tina katalis, GDL, sarta lapisan binder (77, 124).Beungeut karbon GDL tiasa robih tina hidrofobik ka hidrofilik salami réaksi éléktrokimia kusabab réaksi oksidasi anu lumangsung dina overpotensial luhur, anu nyababkeun banjir di GDL sareng ngahalangan jalur difusi CO2 (33).Pikeun ngajawab masalah ieu, panalungtik terpadu scaffold hidrofobik polytetrafluoroethylene (PTFE) kana GDEs.Dibandingkeun jeung hidrofilik Nafion, lapisan PTFE hidrofobik renders stabilitas jangka panjang punjul (33).Sargent jeung ko-pagawe (33) dirakit hiji katalis Cu antara PTFE dipisahkeun jeung karbon NPs, nu lapisan PTFE hidrofobik bisa immobilize nu NPs jeung lapisan grafit, sahingga ngawangun hiji panganteur éléktroda stabil (Gbr. 8, I jeung J).Hasilna, FE pikeun produksi étiléna ngaronjat nepi ka 70% dina larutan KOH 7 M dina kapadetan ayeuna 75 nepi ka 100 mA cm−2.Umur hirup reaktor aliran ieu diperpanjang nepi ka leuwih ti 150 jam kalayan leungitna negligible dina selektivitas étiléna, nu 300 kali leuwih panjang batan GDEs tradisional, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 8K.Struktur sandwich sapertos kitu parantos nunjukkeun janten desain GDE anu saé.Contona, Cui jeung rekan-rekan (124) ngarancang struktur trilayer kalawan lapisan éléktroda aktif clipped ku dua film poliétilén nanoporous hidrofobik.Lapisan hidrofobik luar bisa ngalambatkeun fluks éléktrolit tina solusi bulk, ngarah ka stabil, pH lokal luhur sabudeureun éléktroda gawé.Optimasi rohangan interlayer, anu tiasa ningkatkeun angkutan CO2 sareng adsorption, ogé penting dina desain sapertos kitu (124).Anyar-anyar ieu, nanotube karbon ogé parantos diintegrasikeun kana GDE kusabab porositasna anu luhur, konduktivitas anu saé, sareng hidrofobik, anu tiasa ngagampangkeun transportasi éléktron sareng massa (77).

Sanajan kamajuan seru dina ECR, strategi pikeun béaya rendah, skala badag C2 + generasi produk jarang hadir (125).Dina tahap ieu, tantangan sareng kasempetan sakaligus ngartos mékanisme réaksi ECR sareng komersialisasi téknologi anu ngajangjikeun ieu.

Salaku solusi elegan pikeun nutup loop karbon jeung nyimpen énérgi renewable intermittent, kayaning angin jeung surya, progresses badag geus dijieun pikeun ngahontal konversi CO2 efisien dina dekade kaliwat.Nalika pamahaman prosés anu aya hubunganana sareng ECR parantos lami ti saprak mimitina (126), gandeng C─C via ECR nuju produk C2 + masih jauh tina siap pikeun aplikasi praktis.Dina ulasan ieu, urang nyandak katingal lengkep dina strategi ayeuna nu bisa ngamajukeun selectivity sarta laju produksi pikeun produk C2 + via ECR, kaasup fine-katalis tuning, épék éléktrolit, kaayaan éléktrokimia, sarta éléktroda / réaktor éléktrokimia desain.

Sanajan sagala usaha nempatkeun kana ECR, aya kénéh loba masalah jeung katalis ayeuna jeung sistem ECR nu kudu kajawab saméméh commercializing ECR.Kahiji, salaku katalis ngadominasi pikeun ngawujudkeun gandeng C─C efisien, Cu nalangsara ti masalah stabilitas serius, utamana dina éléktrolit cai, sarta jarang bisa salamet pikeun 100 jam alatan mobilitas atom tinggi maranéhanana, aggregation partikel, sarta deterioration struktur dina kaayaan ECR.Ku kituna, kumaha carana ngahontal stabilitas jangka panjang ngagunakeun katalis basis Cu masih mangrupa tantangan kabuka.Anchoring katalis basis Cu dina rojongan husus kalawan interaksi kuat bisa jadi strategi dipercaya pikeun ngawétkeun struktur katalis / morfologi sahingga nyadiakeun rentang hirup ditingkatkeun.Saterusna, ngagunakeun éléktrolit mémbran polimér pikeun ngaganti leyuran cai salila ECR meureun bisa salajengna ngaronjatkeun stabilitas katalis basis Cu.Salaku tambahan, tina sudut pandang katalis, téknik karakterisasi in situ/in operando sareng modeling téoritis ogé kedah dianggo pikeun ngawas sareng ngartos buruk kinerja katalis, ku kituna, kahareupna ngirangan degradasi sareng karacunan katalis ka tingkat panghandapna.Isu penting séjén pikeun katalis ECR anu kedah diurus nyaéta ngajantenkeun protokol sintésis anu tiasa dianggo pikeun produksi masal.Pikeun tujuan ieu, streamlining prosedur sintétik ngagunakeun feedstocks sadia lega leuwih hade.

Kadua, dihasilkeun C2+ oxygenated ti ECR biasana dicampur solutes (misalna, KHCO3 na KOH) dina éléktrolit pikeun H- tradisional atawa réaktor-sél aliran, nu kitu, merlukeun separation tambahan sarta prosés konsentrasi pikeun cageur solusi suluh cair murni dina. aplikasi praktis.Dina waktos anu sami, hidrokarbon C2+ anu évolusi ogé dicampurkeun sareng H2 sareng sésa CO2.Ku kituna, prosés separation ongkosna mahal téh indispensable pikeun téhnologi ECR ayeuna, nu salajengna hinders ECR tina aplikasi praktis.Ku alatan éta, kumaha cara langsung sareng terus-terusan ngahasilkeun solusi suluh cair murni sareng hidrokarbon gas murni, khususna kalayan konsentrasi produk anu luhur, diperyogikeun pisan pikeun panyebaran praktis ECR.Ku kituna kami ngaduga naékna pentingna generasi langsung produk murni via ECR dina mangsa nu bakal datang, nu bisa nyandak téhnologi ECR leuwih ngadeukeutan ka pasar (127).

Katilu, nalika formasi beungkeut C─O sareng C─H, sapertos étanol, asam asétat, sareng étiléna, dina téknologi ECR parantos diulik, éksplorasi jinis produk sanésna ogé penting pikeun téknologi ECR sareng nunjukkeun minat ekonomis.Contona, nembe, Han jeung ko-pagawe (128) dilaporkeun produksi 2-bromoethnol ku ECR.Wangunan in situ beungkeut C─Br ngarobah produk tina étanol jadi 2-bromoethnol, nu mangrupa blok wangunan penting dina sintésis kimiawi jeung farmasi sarta nembongkeun nilai tambah luhur.Ku kituna, saluareun produk C2 + ayeuna well-diulik, kami yakin yén targeting produk jarang digali séjén kayaning asam oksalat (129) jeung sintésis molekul C2 + leuwih kompleks kayaning sanyawa siklik mangrupakeun jalur ngajangjikeun sejen pikeun panalungtikan ECR hareup.

Panungtungan tapi teu saeutik, éléktroda novel jeung desain reaktor kayaning GDE waterproof, sél cair-aliran, sarta sél PEM kudu loba diadopsi pikeun naekeun laju produksi ECR ka tingkat komérsial (> 200 mA cm−2).Tapi, bédana ageung dina kagiatan éléktrokatalitik sok dititénan nalika éléktrokatalis diterapkeun kana tés sél pinuh.Ku alatan éta, studi leuwih sistematis kudu dipigawé pikeun ngaleutikan celah antara studi satengah sél jeung aplikasi alat sél pinuh pikeun mawa ECR tina tés skala lab pikeun pamakéan praktis.

Kasimpulanana, réduksi CO2 éléktrokimia nawiskeun kasempetan anu saé pikeun urang pikeun ngatasi masalah lingkungan tina gas rumah kaca anu dipancarkeun ku kagiatan manusa.Éta ogé nunjukkeun kamungkinan pikeun ngahontal bahan bakar bersih sareng bahan kimia nganggo énergi anu tiasa dianyari.Sanaos seueur tantangan tetep pikeun téknologi ECR dina tahap ayeuna, khususna pikeun prosés gandeng C─C, dipercaya yén kalayan panalungtikan sareng pamekaran anu terus-terusan ngeunaan optimasi katalis sareng kasampurnaan sél, sudut pandang éléktrolisis CO2 dunya nyata pikeun bahan bakar bersih. jeung bahan kimia bakal direalisasikeun dina mangsa nu bakal datang.

Ieu mangrupikeun artikel aksés kabuka anu disebarkeun dina kaayaan lisénsi Creative Commons Attribution-NonCommercial, anu ngamungkinkeun panggunaan, distribusi, sareng réproduksi dina médium naon waé, salami pamakean anu hasilna henteu kanggo kauntungan komersil sareng upami karya aslina leres. dicutat.

CATETAN: Kami ngan ukur nyuhunkeun alamat email anjeun supados jalma anu anjeun nyarankeun halaman éta terang yén anjeun hoyong aranjeunna ningali éta, sareng éta sanés surat sampah.Kami henteu nyandak alamat email.

© 2020 Asosiasi Amérika pikeun Kamajuan Élmu.Sadaya hak disimpen.AAAS mangrupikeun mitra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef sareng COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.