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2025 年發(fā)表于《The Chemical Record》的文獻《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》，對電催化技術(shù)的前景及其在實現(xiàn)電子化學(xué)未來中的作用進行了深入探討。
《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》這篇文獻圍繞電催化研究現(xiàn)狀、新興方向、電催化到光電催化的轉(zhuǎn)變、串聯(lián)/配對電催化反應(yīng)、電催化介導(dǎo)合成等多個方面展開分析，既闡述了電催化在 CO?還原、氮氣固定等新興方向的潛力，也指出了其在成本、技術(shù)及研究局限等方面面臨的挑戰(zhàn)，旨在為推動電催化技術(shù)的發(fā)展、加速低碳化學(xué)生產(chǎn)模式的實現(xiàn)提供思路與參考。
電催化的新興方向主要集中在以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：1. CO?還原反應(yīng)（CO?RR），旨在將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品，這對于碳循環(huán)和減少溫室氣體排放具有重要意義；2. 氮氣固定（N?還原），即通過電催化將氮氣轉(zhuǎn)化為氨等含氮化合物，為綠色肥料生產(chǎn)等提供新途徑；3. 生物質(zhì)衍生化學(xué)品的電催化轉(zhuǎn)化，可將生物質(zhì)中的成分轉(zhuǎn)化為大宗化學(xué)品，有助于減少對化石資源的依賴；4. 電催化生產(chǎn)*（H?O?），*作為一種清潔氧化劑，在多個工業(yè)領(lǐng)域有重要應(yīng)用，該方向具有較高的工業(yè)潛力。
電催化發(fā)展面臨著多方面的挑戰(zhàn)：1. 科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)，包括反應(yīng)的可擴展性問題，如如何實現(xiàn)電極尺寸的擴大和實際操作條件的優(yōu)化，以及部分反應(yīng)（如 CO?RR、NRR）的性能尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求；2. 成本問題，與電催化技術(shù)相關(guān)的固定成本和運營成本仍然過高，需要通過改進電催化劑 / 電極設(shè)計、優(yōu)化操作條件等降低成本；3. 研究局限，當(dāng)前研究多集中在電催化劑的機理和設(shè)計方面，對系統(tǒng)工程的關(guān)注不足，且缺乏對不同反應(yīng)協(xié)同利用等方面的深入探索，同時在理論方法上，尚未形成統(tǒng)一的電化學(xué)和電催化理論來指導(dǎo)新型電催化劑的設(shè)計。
從電催化到光電催化是推動能源與化學(xué)品生產(chǎn)向可持續(xù)、循環(huán)和有韌性未來轉(zhuǎn)型的重要方向，其核心在于整合直接利用太陽光的能力，開發(fā)光電催化（PEC）器件。PEC 器件主要有兩種類型：一種是光活性單元集成到陽極部分（PECa），其中光活性功能通常集成在陽極，雖存在使陽極和陰極都具備光活性的可能性，但實際實現(xiàn)面臨諸多困難；另一種是光活性單元作為光伏單元（PV/EC）外部存在并最終集成到電池中，其配置基于獨立的光伏電池驅(qū)動電催化單元。PECa 緊湊型電池設(shè)計中，陰極和陽極直接位于膜的兩側(cè)，可減少傳輸限制以提升性能，還能使用氣體擴散電極消除電解質(zhì)并實現(xiàn)零間隙電池。
與電催化器件相比，PEC 系統(tǒng)的電流密度與光活性元件提供的電流密度、電池電阻及光組件和電組件的耦合相關(guān)，工業(yè)感興趣的電催化過程典型電流密度高于 500 mA/cm2，而 PEC 器件的電流密度要低一個數(shù)量級以上。此外，電催化器件可連續(xù)運行，PEC 器件則需在有陽光時運行，這要求其設(shè)計需從低成本制造以適應(yīng)不連續(xù)運行的角度出發(fā)，而非傳統(tǒng)的太陽能到化學(xué)的轉(zhuǎn)換效率考量。在有效性和機理方面，PEC 與電催化方法本質(zhì)相同，但 PEC 在電勢和電流密度上存在限制，電催化器件電流密度可達(dá) 1 A/cm2，PEC 器件則通常低兩個數(shù)量級。同時，分散式生產(chǎn)模式下，PEC 生產(chǎn)單元需盡可能減少下游操作，以與生產(chǎn)單元的生產(chǎn)率、壓力等相兼容，但目前文獻對這些方面關(guān)注較少，PEC 器件也多作為獨立元素研究，缺乏在價值鏈中的集成考量。
串聯(lián) / 配對電催化反應(yīng)在生物基過程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，其核心優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)過程 intensification 并開發(fā)低碳工藝，同時可利用可再生能源，還能通過原位生成 redox 反應(yīng)物（如氫當(dāng)量、活性氧物種）避免還原劑或氧化劑的生產(chǎn)成本。不過，盡管該技術(shù)已被認(rèn)知多年，目前仍無商業(yè)應(yīng)用實例，主要面臨諸多需克服的困難：一是需識別合適的電催化劑，這類催化劑需在高電流密度下兼具高法拉第選擇性和高穩(wěn)定性，以應(yīng)對電極污染或浸出等典型問題；二是要實現(xiàn)陽極和陰極反應(yīng)的配對匹配，確保反應(yīng)速率、電子及 H?/OH? 流動等方面的平衡。
當(dāng)前研究常聚焦于單個電極側(cè)（尤其是陰極），而對兩側(cè)的協(xié)同利用關(guān)注不足。當(dāng)研究聚焦陰極反應(yīng)（如 CO?RR 或 HER）時，析氧反應(yīng)（OER）是典型的陽極反應(yīng)，但 OER 動力學(xué)緩慢且需要較高過電勢，因此人們常探索替代氧化反應(yīng)，包括廢水氧化等，近期也開始關(guān)注能量上易進行且動力學(xué)快速的反應(yīng)以加速過程。不過，部分替代反應(yīng)（如用氫氣氧化提升氨電合成性能、用硝酸鹽替代 N? 進行氨還原）雖能改善某些性能，卻并非提升技術(shù)經(jīng)濟可行性和可持續(xù)性的理想方案，研究需更多關(guān)注相關(guān)價值鏈和工業(yè)實際案例。
一些歐盟項目已圍繞串聯(lián) / 配對電催化反應(yīng)展開探索，例如 TERRA 項目探索利用電池溫度差匹配陰陽極反應(yīng)，PERFORM 項目嘗試將葡萄糖氧化與加氫脫氧配對生產(chǎn)己二酸等。此外，將 CO?RR 與有機（生物基）化學(xué)品的電氧化（OOR）配對也是新興方向，如 5 - 羥甲基糠醛（HMF）氧化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）與 CO?RR 配對，不僅能降低過電勢，還可產(chǎn)出高附加值化學(xué)品。但總體而言，該領(lǐng)域研究仍存在諸多不足，如缺乏對全電池反應(yīng)的系統(tǒng)研究、部分集成過程尚未得到電催化證明、下游處理成本高及相關(guān)科學(xué)基礎(chǔ)薄弱等，需進一步探索優(yōu)化。
電催化介導(dǎo)合成（又稱間接電解）是一種在有機電合成中應(yīng)用成熟，但在其他電催化領(lǐng)域尚未廣泛普及的方法。其核心原理是通過 redox 介質(zhì)作為電子轉(zhuǎn)移劑實現(xiàn)底物的間接轉(zhuǎn)化 —— 當(dāng)?shù)孜镫y以直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)時， redox 介質(zhì)可先與電極發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，再與底物反應(yīng)，從而推動目標(biāo)轉(zhuǎn)化的進行。這種方法具有多方面優(yōu)勢：一是能消除電極與底物之間異質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的動力學(xué)抑制，降低反應(yīng)過電勢；二是 redox 介質(zhì)可展現(xiàn)出與直接電解不同的選擇性，甚至更高的選擇性；三是由于反應(yīng)在較低電勢下進行，可減少或避免電極因高電勢導(dǎo)致的失活問題；四是能規(guī)避高電勢下易發(fā)生的副反應(yīng)，提高產(chǎn)物純度。
不過，電催化介導(dǎo)合成也存在明顯局限，其額外成本（尤其是下游分離和 redox 介質(zhì)回收環(huán)節(jié)）對大宗商品和大宗化學(xué)品的生產(chǎn)而言較為關(guān)鍵。在有機電合成中，高附加值化學(xué)品的利潤空間可覆蓋這些成本，但在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，成本控制難度顯著增加。常用的 redox 介質(zhì)因反應(yīng)類型而異，陽極氧化中多采用特定的過渡金屬化合物等，陰極反應(yīng)則可使用過渡金屬配合物等。總體而言，電催化介導(dǎo)合成作為一種潛在的高效轉(zhuǎn)化策略，仍需結(jié)合具體應(yīng)用場景進一步探索優(yōu)化，尤其在降低成本、提升介質(zhì)循環(huán)效率等方面需突破，以拓展其在更廣泛電催化領(lǐng)域的應(yīng)用。
電子化學(xué)愿景旨在通過電催化等技術(shù)，解決彈性發(fā)展、碳中性生產(chǎn)及碳循環(huán)經(jīng)濟等社會挑戰(zhàn)，推動化學(xué)品和能源生產(chǎn)模式向可持續(xù)、低碳的方向轉(zhuǎn)型。
實現(xiàn)電子化學(xué)未來是應(yīng)對社會挑戰(zhàn)的重要方向，其核心在于通過電催化等技術(shù)構(gòu)建全新的化學(xué)品和能源生產(chǎn)模式。這一未來模式需達(dá)成三大目標(biāo)：一是發(fā)展具有韌性的發(fā)展模型，最大限度減少對外部資源的依賴和限制；二是建立碳中和甚至碳負(fù)性的生產(chǎn)系統(tǒng)，降低環(huán)境影響；三是實現(xiàn)超越化石燃料的碳循環(huán)經(jīng)濟。電催化作為關(guān)鍵技術(shù)，在其中扮演著推動轉(zhuǎn)型的核心角色，而如何優(yōu)先整合各類電催化反應(yīng)、突破現(xiàn)有研究局限以實現(xiàn)從傳統(tǒng)熱催化到電子化學(xué)的跨越，是需要重點探索的問題。
實現(xiàn)電子化學(xué)未來需要多方面的努力。在研究層面，要突破當(dāng)前局限，從更廣泛的角度探索電催化的潛力，如拓寬反應(yīng)范圍、加強不同反應(yīng)的協(xié)同利用，同時重視系統(tǒng)工程的研究；在技術(shù)層面，需改進電催化反應(yīng)器設(shè)計，開發(fā)先進的電催化反應(yīng)器，優(yōu)化操作條件以降低成本；在理論層面，要建立統(tǒng)一的電化學(xué)和電催化理論，為新型電催化劑的設(shè)計提供指導(dǎo)。此外，還需結(jié)合新興的技術(shù)和方法，如 3D 打印等加速電催化技術(shù)的規(guī)模化，推動其從實驗室研究走向工業(yè)應(yīng)用，最終構(gòu)建起可持續(xù)的電子化學(xué)未來。
盡管電催化研究熱度漸升，但潛力尚未充分挖掘，在技術(shù)、成本及研究方向等方面存在諸多挑戰(zhàn)。目前，從實驗室邁向工業(yè)應(yīng)用的進程緩慢，部分源于對電催化諸多可能性認(rèn)識不足。未來，需拓寬研究邊界，探索如 CO?還原、氮氣固定等新興反應(yīng)的潛力，加強不同反應(yīng)的協(xié)同利用；要建立新的評估模型，以準(zhǔn)確衡量電催化在全新場景中的影響；還應(yīng)通過跨領(lǐng)域合作，激發(fā)創(chuàng)造性研究，將理論成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，推動電催化技術(shù)廣泛應(yīng)用，助力構(gòu)建可持續(xù)、碳循環(huán)的電子化學(xué)未來 。
期刊：The Chemical Record
通訊作者：Gabriele Centi、Siglinda Perathoner
通訊單位：University of Messina
DOI：10.1002/tcr.202400259
