面向CO2电化学转化的铜基催化剂研究进展

doi:10.3866/PKU.WHXB202006034

物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (5): 2006034.doi: 10.3866/PKU.WHXB202006034

所属专题： CO₂还原

面向CO₂电化学转化的铜基催化剂研究进展

孟怡辰, 况思宇, 刘海, 范群, 马新宾, 张生()

天津大学化工学院，绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072

收稿日期:2020-06-12 录用日期:2020-06-29 发布日期:2020-07-02
通讯作者: 张生 E-mail:sheng.zhang@tju.edu.cn
作者简介:张生，1982年出生。本硕博就读于哈尔滨工业大学，国家级优秀青年人才，欧盟玛丽居里学者。现任天津大学化工学院长聘教授，研究领域为能源电化学与化工，主要研究方向包括二氧化碳电化学转化与过程强化、质子传导膜构建与燃料电池、先进催化剂设计与可控合成
基金资助:
天津市重大科技专项(18ZXJMTG00180);天津市重大科技专项(19ZXNCGX00030)

Recent Advances in Electrochemical CO₂ Reduction Using Copper-Based Catalysts

Yichen Meng, Siyu Kuang, Hai Liu, Qun Fan, Xinbin Ma, Sheng Zhang()

Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education, Collaborative Innovation Centre of Chemical Science and Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Received:2020-06-12 Accepted:2020-06-29 Published:2020-07-02
Contact: Sheng Zhang E-mail:sheng.zhang@tju.edu.cn
About author:Sheng Zhang, Email: sheng.zhang@tju.edu.cn. Tel.: +86-22-87401818
Supported by:
the Key Research and Development Project of Tianjin(18ZXJMTG00180);the Key Research and Development Project of Tianjin(19ZXNCGX00030)

摘要/Abstract

摘要：

化石燃料的大量使用造成大气中CO₂含量不断上升，带来了一系列气候及环境问题。将温室气体CO₂进行捕集并转化利用有助于缓解能源短缺和全球变暖等问题，其中电化学技术因其具有温和可控的工作条件以及与可再生能源的相容性等特点，成为了一种很有前景的CO₂转化利用技术。铜催化剂因其在电化学还原CO₂过程中可以产生高价值的碳氢化合物而受到广泛关注与研究，但是有效产物的选择性依然较低，特别是C₂₊物种。因此提高铜基催化剂表面产物选择性成为了该领域研究难点与热点。为此，本文主要介绍了近五年不同改性方式的Cu基催化剂在选择性制备C₂₊产物方面的研究进展，概述了可能的反应机理并且总结了影响产物选择性的因素，最后提出了该领域进一步的研究方向与展望。

关键词: 二氧化碳, 电化学还原, Cu基催化剂, C₂₊产物, 选择性

Abstract:

Burning of fossil fuels increases CO₂ concentration in the atmosphere, resulting in a series of climate- and environment-related concerns such as global warming, sea-level rise, and melting of glaciers. Therefore, utilization of renewable energy to reduce the CO₂ concentration, in order to realize a sustainable development, is urgent. Capturing and utilizing CO₂, a greenhouse gas, can not only address these concerns but also alleviate the current scenario of energy shortage. Thermal catalytic CO₂ hydrogenation offers various pathways with high conversion efficiencies to produce fuels and industrial chemicals including CO, HCOOH, CH₃OH, and CH₄. However, CO₂ is chemically inert due to the highly stable C＝O bond. Thus, harsh reaction conditions such as high temperature and pressure are required for CO₂ hydrogenation.

Electrocatalytic CO₂ reduction using renewable electricity and water is a promising alternative to thermocatalysis. This technology can not only store and transport the intermittent solar or wind energy but can also use water as the proton source instead of H₂, which is indispensable for thermal CO₂ hydrogenation. Electrochemical CO₂ reduction under ambient conditions is a proton-coupled electron transfer process. The key to promote the electrochemical reduction of CO₂ is to develop highly selective and active catalysts with high stability. Among various CO₂ electrocatalysts, copper-based catalysts have attracted significant attention and have been extensively investigated, since they exhibit good selectivity and efficiency for the reduction of CO₂ to hydrocarbons and alcohols. A broad range of products, up to 16 different gases and liquids, can be obtained in the CO₂ electroconversion on copper. Copper is the only metal that has a negative adsorption energy for *CO and a positive adsorption energy for *H. Thus, it has a unique property of generating > 2e⁻ transfer products. However, selectivity of the target product is still low, especially for high value-added C₂₊ species (C₂H₄, C₂H₅OH, CH₃COOH, CH₃CHO, n-C₃H₇OH, etc.).

The selectivity of various products on copper-based catalysts could be enhanced by surface engineering techniques such as tuning the morphologies, particle sizes, surface facets, strains levels, and atomic coordination. Electrolyte engineering could also aid in CO₂ electroreduction. Therefore, improving the selectivity of C₂₊ products by modifying copper-based catalysts could be a hot research topic. In addition, C-C coupling is a key step in forming C₂₊ products, though the C₂₊ product formation pathway is complex, and the mechanisms are still unclear. Considering these, this paper mainly reviews the research progress in copper-based catalysts producing C₂₊ species in the last five years. It also discusses the possible reaction mechanisms and the factors that affect the product selectivities. In the end, further research directions are proposed.

Key words: Carbon dioxide, Electrochemical reduction, Copper-based catalysts, C₂₊ products, Selectivity

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孟怡辰, 况思宇, 刘海, 范群, 马新宾, 张生. 面向CO₂电化学转化的铜基催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5), 2006034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006034

Yichen Meng, Siyu Kuang, Hai Liu, Qun Fan, Xinbin Ma, Sheng Zhang. Recent Advances in Electrochemical CO₂ Reduction Using Copper-Based Catalysts[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(5), 2006034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006034

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图/表 9

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参考文献 141

1	Aresta M. ; Dibenedetto A. ; Angelini A. Chem. Rev. 2014, 114, 1709. doi: 10.1021/cr4002758
2	Chen, Y.; Chen, K.; Fu, J.; Yamaguchi, A.; Li, H.; Pan, H.; Hu, J.; Miyauchi, M.; Liu, M. Nano Mater. Sci. 2019, in Press. doi: 10.1016/j.nanoms.2019.10.006
3	Gao D. ; Zhou H. ; Wang J. ; Miao S. ; Yang F. ; Wang G. ; Wang J. ; Bao X. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288. doi: 10.1021/jacs.5b00046
4	Kauffman D. R. ; Thakkar J. ; Siva R. ; Matranga C. ; Ohodnicki P. R. ; Zeng C. J. ; Jin R. C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 15626. doi: 10.1021/acsami.5b04393
5	Qiao J. L. ; Liu Y. Y. ; Hong F. ; Zhang J. J. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 631. doi: 10.1039/c3cs60323g
6	Spinner N. S. ; Vega J. A. ; Mustain W. E. Catal. Sci. Technol. 2012, 2, 19. doi: 10.1039/C1CY00314C
7	Han N. ; Ding P. ; He L. ; Li Y. Y. ; Li Y. G. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 19. doi: 10.1002/aenm.201902338
8	Li Y. M. ; Chu S. L. ; Shen H. D. ; Xia Q. N. ; Robertson A. W. ; Masa J. ; Siddiqui U. ; Sun Z. Y. ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 4948. doi: 10.1021/acssuschemeng.0c00800
9	Gao S. ; Lin Y. ; Jiao X. C. ; Sun Y. F. ; Luo Q. Q. ; Zhang W. H. ; Li D. Q. ; Yang J. L. ; Xie Y. Nature 2016, 529, 68. doi: 10.1038/nature16455
10	Zhu D. D. ; Liu J. L. ; Qiao S. Z. Adv. Mater. 2016, 28, 3423. doi: 10.1002/adma.201504766
11	Jones J. P. ; Prakash G. K. S. ; Olah G. A. Isr. J. Chem. 2014, 54, 1451. doi: 10.1002/ijch.201400081
12	Ajmal S. ; Yang Y. ; Li K. ; Tahir M.A. ; Liu Y. ; Wang T. ; Bacha A.-U. -R. ; Feng Y. ; Deng Y. ; Zhang L. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 11555. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b00119
13	Peng X. ; Karakalos S. G. ; Mustain W. E. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 1734. doi: 10.1021/acsami.7b16164
14	Hori, Y. Electrochemical CO₂ Reduction on Metal Electrodes, in Modern Aspects of Electrochemistry; Vayenas, C. G., White, R. E., Gamboa-Aldeco, M. E., Eds.; Springer New York: New York, NY, USA, 2008; p. 89.
15	Yang K.D. ; Lee C.W. ; Jin K. ; Im S.W. ; Nam K.T. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 538. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b02748
16	Fan L. ; Xia C. ; Yang F. Q. ; Wang J. ; Wang H. T. ; Lu Y. Y. Sci. Adv. 2020, 6, 17. doi: 10.1126/sciadv.aay3111
17	Li Y. G. C. ; Wang Z. Y. ; Yuan T. G. ; Nam D. H. ; Luo M. C. ; Wicks J. ; Chen B. ; Li J. ; Li F. W. ; de Arguer F. P. G. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8584. doi: 10.1021/jacs.9b02945
18	Zhang Y. ; Li K. ; Chen M. ; Wang J. ; Liu J. ; Zhang Y. ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 257. doi: 10.1021/acsanm.9b01935
19	Tao Z. X. ; Wu Z. S. ; Yuan X. L. ; Wu Y. S. ; Wang H. L. ACS Catal. 2019, 9, 10894. doi: 10.1021/acscatal.9b03158
20	Weng Z. ; Zhang X. ; Wu Y.S. ; Huo S.J. ; Jiang J.B. ; Liu W. ; He G.J. ; Liang Y.Y. ; Wang H.L. Angew. Chem.-Int. Edit. 2017, 56, 13135. doi: 10.1002/anie.201707478
21	Kuhl K. P. ; Cave E. R. ; Abram D. N. ; Jaramillo T. F. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7050. doi: 10.1039/C2EE21234J
22	Kahsay A. W. ; Ibrahim K. B. ; Tsai M. -C. ; Birhanu M. K. ; Chala S. A. ; Su W. -N. ; Hwang B. -J. Catal. Lett. 2019, 149, 860. doi: 10.1007/s10562-019-02657-2
23	Reske R. ; Mistry H. ; Behafarid F. ; Roldan Cuenya B. ; Strasser P. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6978. doi: 10.1021/ja500328k
24	Li Y. F. ; Cui F. ; Ross M. B. ; Kim D. ; Sun Y. ; Yang P. D. Nano Lett. 2017, 17, 1312. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b05287
25	Clark E. L. ; Hahn C. ; Jaramillo T. F. ; Bell A. T. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15848. doi: 10.1021/jacs.7b08607
26	Gao Y. G. ; Wu Q. ; Liang X. Z. ; Wang Z. Y. ; Zheng Z. K. ; Wang P. ; Liu Y. Y. ; Dai Y. ; Whangbo M. H. ; Huang B. B. Adv. Sci. 2020, 7, 1902820. doi: 10.1002/advs.201902820
27	De Luna P. ; Quintero-Bermudez R. ; Dinh C. T. ; Ross M. B. ; Bushuyev O. S. ; Todorovic P. ; Regier T. ; Kelley S. O. ; Yang P. D. ; Sargent E. H. Nat. Catal. 2018, 1, 103. doi: 10.1038/s41929-017-0018-9
28	Shih C. F. ; Zhang T. ; Li J. ; Bai C. Joule 2018, 2, 1925. doi: 10.1016/j.joule.2018.08.016
29	Appel A. M. ; Bercaw J. E. ; Bocarsly A. B. ; Dobbek H. ; DuBois D. L. ; Dupuis M. ; Ferry J. G. ; Fujita E. ; Hille R. ; Kenis P. J. A. ; et al Chem. Rev. 2013, 113, 6621. doi: 10.1021/cr300463y
30	Wu J. H. ; Huang Y. ; Ye W. ; Li Y. G. Adv. Sci. 2017, 4, 29. doi: 10.1002/advs.201700194
31	Oloman C. ; Li H. ChemSusChem 2008, 1, 385. doi: 10.1002/cssc.200800015
32	Nitopi S. ; Bertheussen E. ; Scott S. B. ; Liu X. Y. ; Engstfeld A. K. ; Horch S. ; Seger B. ; Stephens I. E. L. ; Chan K. ; Hahn C. ; et al Chem. Rev. 2019, 119, 7610. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00705
33	D'Alessandro D. M. ; Smit B. ; Long J. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6058. doi: 10.1002/anie.201000431
34	Frese, K. W. Chapter 6-Electrochemical Reduction of CO₂ at Solid Electrodes. In Electrochemical and Electrocatalytic Reactions of Carbon Dioxide; Sullivan, B. P., Ed.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 1993; p. 145.
35	Ma M. ; Djanashvili K. ; Smith W. A. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6680. doi: 10.1002/anie.201601282
36	Tang W. ; Peterson A. A. ; Varela A. S. ; Jovanov Z. P. ; Bech L. ; Durand W. J. ; Dahl S. ; Nørskov J. K. ; Chorkendorff I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 76. doi: 10.1039/C1CP22700A
37	Popovic S. ; Smiljanic M. ; Jovanovic P. ; Vavra J. ; Buonsanti R. ; Hodnik N. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020. doi: 10.1002/anie.202000617
38	Ripatti D. S. ; Veltman T. R. ; Kanan M. W. Joule 2019, 3, 240. doi: 10.1016/j.joule.2018.10.007
39	Yoshio H. ; Katsuhei K. ; Shin S. Chem. Lett. 1985, 14, 1695. doi: 10.1246/cl.1985.1695
40	Hori Y. ; Murata A. ; Takahashi R. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1 1989, 85, 2309. doi: 10.1039/F19898502309
41	Hori Y. ; Takahashi R. ; Yoshinami Y. ; Murata A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7075. doi: 10.1021/jp970284i
42	Peterson A. A. ; Abild-Pedersen F. ; Studt F. ; Rossmeisl J. ; Nørskov J. K. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1311. doi: 10.1039/C0EE00071J
43	Deng Y. L. ; Yeo B. S. ACS Catal. 2017, 7, 7873. doi: 10.1021/acscatal.7b02561
44	Perez-Gallent E. ; Figueiredo M. C. ; Calle-Vallejo F. ; Koper M. T. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3621. doi: 10.1002/anie.201700580
45	Wang X. L. ; de Araujo J. F. ; Ju W. ; Bagger A. ; Schmies H. ; Kuhl S. ; Rossmeisl J. ; Strasser P. Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 1063. doi: 10.1038/s41565-019-0551-6
46	Montoya J. H. ; Shi C. ; Chan K. ; Nørskov J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2032. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00722
47	Jiang K. ; Sandberg R. B. ; Akey A. J. ; Liu X. Y. ; Bell D. C. ; Norskov J. K. ; Chan K. R. ; Wang H. T. Nat. Catal. 2018, 1, 111. doi: 10.1038/s41929-017-0009-x
48	Wuttig A. ; Liu C. ; Peng Q. L. ; Yaguchi M. ; Hendon C. H. ; Motobayashi K. ; Ye S. ; Osawa M. ; Surendranath Y. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 522. doi: 10.1021/acscentsci.6b00155
49	Cheng T. ; Xiao H. ; Goddard W. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114, 1795. doi: 10.1073/pnas.1612106114
50	Goodpaster J. D. ; Bell A. T. ; Head-Gordon M. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 1471. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00358
51	Xiao H. ; Cheng T. ; Goddard W. A. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 130. doi: 10.1021/jacs.6b06846
52	Kim D. ; Kley C. S. ; Li Y. F. ; Yang P. D. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114, 10560. doi: 10.1073/pnas.1711493114
53	Ren D. ; Wong N. T. ; Handoko A. D. ; Huang Y. ; Yeo B. S. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 20. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b02554
54	Clark E. L. ; Bell A. T. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7012. doi: 10.1021/jacs.8b04058
55	Chang X. X. ; Malkani A. ; Yang X. ; Xu B. J. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2975. doi: 10.1021/jacs.9b11817
56	Garza A. J. ; Bell A. T. ; Head-Gordon M. ACS Catal. 2018, 8, 1490. doi: 10.1021/acscatal.7b03477
57	Zheng Y. ; Vasileff A. ; Zhou X. L. ; Jiao Y. ; Jaroniec M. ; Qiao S. Z. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7646. doi: 10.1021/jacs.9b02124
58	Liu X. Y. ; Xiao J. P. ; Peng H. J. ; Hong X. ; Chan K. ; Norskov J. K. Nat. Commun. 2017, 8, 7. doi: 10.1038/ncomms15438
59	Hori Y. ; Takahashi I. ; Koga O. ; Hoshi N. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 15. doi: 10.1021/jp013478d
60	Jiang K. ; Kharel P. ; Peng Y. ; Gangishetty M. K. ; Lin H. -Y. G. ; Stavitski E. ; Attenkofer K. ; Wang H. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 8529. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b02380
61	Huang H. ; Jia H. ; Liu Z. ; Gao P. ; Zhao J. ; Luo Z. ; Yang J. ; Zeng J. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3594. doi: 10.1002/anie.201612617
62	Li Q. ; Fu J. ; Zhu W. ; Chen Z. ; Shen B. ; Wu L. ; Xi Z. ; Wang T. ; Lu G. ; Zhu J. -J.; Sun S. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4290. doi: 10.1021/jacs.7b00261
63	Kuhl K. P. ; Hatsukade T. ; Cave E. R. ; Abram D. N. ; Kibsgaard J. ; Jaramillo T. F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14107. doi: 10.1021/ja505791r
64	Zhang S. ; Kang P. ; Meyer T. J. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1734. doi: 10.1021/ja4113885
65	Sun J. ; Wei D. ; Lv H. Trans. Tianjin Univ. 2018, 24, 16. doi: 10.1007/s12209-017-0094-6
66	Cuellar N. S. R. ; Wiesner-Fleischer K. ; Fleischer M. ; Rucki A. ; Hinrichsen O. Electrochim. Acta 2019, 307, 164. doi: 10.1016/j.electacta.2019.03.142
67	Zhao X. ; Du M. S. ; Liu F. Materials 2019, 12, 10. doi: 10.3390/ma12040602
68	Wu M. ; Zhu C. ; Wang K. ; Li G. ; Dong X. ; Song Y. ; Xue J. ; Chen W. ; Wei W. ; Sun Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 11562. doi: 10.1021/acsami.9b21153
69	Mangione G. ; Huang J. F. ; Buonsanti R. ; Corminboeuf C. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4259. doi: 10.1021/acs.jpclett.9b01471
70	Kibria M. G. ; Dinh C. T. ; Seifitokaldani A. ; De Luna P. ; Burdyny T. ; Quintero-Bermudez R. ; Ross M. B. ; Bushuyev O. S. ; de Arguer F. P. G. ; Yang P. D. ; et al Adv. Mater. 2018, 30, 7. doi: 10.1002/adma.201804867
71	Lum Y. ; Ager J. W. Nat. Catal. 2019, 2, 86. doi: 10.1038/s41929-018-0201-7
72	Back S. ; Lim J. ; Kim N. Y. ; Kim Y. H. ; Jung Y. Chem. Sci. 2017, 8, 1090. doi: 10.1039/c6sc03911a
73	Wang Y. F. ; Chen Z. ; Han P. ; Du Y. H. ; Gu Z. X. ; Xu X. ; Zheng G. F. ACS Catal. 2018, 8, 7113. doi: 10.1021/acscatal.8b01014
74	Jiao J. ; Lin R. ; Liu S. ; Cheong W. C. ; Zhang C. ; Chen Z. ; Pan Y. ; Tang J. ; Wu K. ; Hung S. F. ; et al Nat. Chem. 2019, 11, 222. doi: 10.1038/s41557-018-0201-x
75	Yuan J. ; Yang M. P. ; Zhi W. Y. ; Wang H. ; Wang H. ; Lu J. X. J. CO₂ Util. 2019, 33, 452. doi: 10.1016/j.jcou.2019.07.014
76	Cheng Y. S. ; Chu X. P. ; Ling M. ; Li N. ; Wu K. L. ; Wu F. H. ; Li H. ; Yuan G. Z. ; Wei X. W. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 5668. doi: 10.1039/c9cy01131e
77	Dinh C. T. ; Burdyny T. ; Kibria M. G. ; Seifitokaldani A. ; Gabardo C. M. ; de Arquer F. P. G. ; Kiani A. ; Edwards J. P. ; De Luna P. ; Bushuyev O. S. ; et al Science 2018, 360, 783. doi: 10.1126/science.aas9100
78	Xiao H. ; Cheng T. ; Goddard W.A. ; Sundararaman R. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 483. doi: 10.1021/jacs.5b11390
79	Ning H. ; Mao Q. H. ; Wang W. H. ; Yang Z. X. ; Wang X. S. ; Zhao Q. S. ; Song Y. ; Wu M. B. J. Alloy. Compd. 2019, 785, 7. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.01.142
80	Zarandi R. F. ; Rezaei B. ; Ghaziaskar H. S. ; Ensafi A. A. J. Environ. Chem. Eng. 2019, 7, 7. doi: 10.1016/j.jece.2019.103141
81	Zhang S. ; Kang P. ; Ubnoske S. ; Brennaman M. K. ; Song N. ; House R. L. ; Glass J. T. ; Meyer T. J. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7845. doi: 10.1021/ja5031529
82	Gao D. F. ; Sinev I. ; Scholten F. ; Aran-Ais R. M. ; Divins N. J. ; Kvashnina K. ; Timoshenko J. ; Roldan Cuenya B. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 17047. doi: 10.1002/anie.201910155
83	Resasco J. ; Chen L. D. ; Clark E. ; Tsai C. ; Hahn C. ; Jaramillo T. F. ; Chan K. ; Bell A. T. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11277. doi: 10.1021/jacs.7b06765
84	Xiao H. ; Goddard W. A. ; Cheng T. ; Liu Y. Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114, 6685. doi: 10.1073/pnas.1702405114
85	Fields M. ; Hong X. ; Norskov J. K. ; Chan K. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 16209. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b04983
86	Qin T. ; Qian Y. ; Zhang F. ; Lin B. L. Chin. Chem. Lett. 2019, 30, 314. doi: 10.1016/j.cclet.2018.07.003
87	Jung H. ; Lee S. Y. ; Lee C. W. ; Cho M. K. ; Won D. H. ; Kim C. ; Oh H. S. ; Min B. K. ; Hwang Y. J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4624. doi: 10.1021/jacs.8b11237
88	Scholten F. ; Sinev I. ; Bernal M. ; Roldan Cuenya B. ACS Catal. 2019, 9, 5496. doi: 10.1021/acscatal.9b00483
89	Feroze M. T. ; Sami S. K. ; Doonyapisut D. ; Kim B. ; Chung C. H. ChemElectroChem 2020, 7, 7. doi: 10.1002/celc.201902035
90	Gao D. F. ; McCrum I. T. ; Deo S. ; Choi Y. W. ; Scholten F. ; Wan W. M. ; Chen J. G. G. ; Janik M. J. ; Roldan Cuenya B. ACS Catal. 2018, 8, 10012. doi: 10.1021/acscatal.8b02587
91	Gu Z. X. ; Yang N. ; Han P. ; Kuang M. ; Mei B. B. ; Jiang Z. ; Zhong J. ; Li L. ; Zheng G. F. Small Methods 2019, 3, 8. doi: 10.1002/smtd.201800449
92	Kim J. ; Choi W. ; Park J.W. ; Kim C. ; Kim M. ; Song H. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6986. doi: 10.1021/jacs.9b00911
93	Varela A. S. ; Kroschel M. ; Reier T. ; Strasser P. Catal. Today 2016, 260, 8. doi: 10.1016/j.cattod.2015.06.009
94	Yang P. -P. ; Zhang X. -L. ; Gao F. -Y. ; Zheng Y. -R. ; Niu Z. -Z. ; Yu X. ; Liu R. ; Wu Z. -Z. ; Qin S. ; Chi L. -P.; ; et al J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6400. doi: 10.1021/jacs.0c01699
95	Cheng Y. S. ; Li H. ; Ling M. ; Li N. ; Jiang B. B. ; Wu F. H. ; Yuan G. Z. ; Wei X. W. Mater. Lett. 2020, 260, 4. doi: 10.1016/j.matlet.2019.126868
96	Reller C. ; Krause R. ; Volkova E. ; Schmid B. ; Neubauer S. ; Rucki A. ; Schuster M. ; Schmid G. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602114. doi: 10.1002/aenm.201602114
97	Hori Y. ; Takahashi I. ; Koga O. ; Hoshi N. J. Mol. Catal. A: Chem. 2003, 199, 39. doi: 10.1016/S1381-1169(03)00016-5
98	Zhang J. ; Luo W. ; Zuttel A. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 26285. doi: 10.1039/c9ta06736a
99	Wang W. H. ; Ning H. ; Yang Z. X. ; Feng Z. X. ; Wang J. L. ; Wang X. S. ; Mao Q. H. ; Wu W. T. ; Zhao Q. S. ; Hu H. ; et al Electrochim. Acta 2019, 306, 360. doi: 10.1016/j.electacta.2019.03.146
100	Anastasiadou D. ; Schellekens M. ; de Heer M. ; Verma S. ; Negro E. ChemElectroChem 2019, 6, 3928. doi: 10.1002/celc.201900971
101	Yang Y. ; Zhang Y. ; Hu J.S. ; Wan L.J. Acta Phys.-Chim. Sin. 2020, 36, 1906085.
	杨艳; 张云; 胡劲松; 万立骏. 物理化学学报, 2020, 36, 1906085. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906085
102	Gao D. F. ; Aran-Ais R. M. ; Jeon H. S. ; Roldan Cuenya B. Nat. Catal. 2019, 2, 198. doi: 10.1038/s41929-019-0235-5
103	Iijima G. ; Inomata T. ; Yamaguchi H. ; Ito M. ; Masuda H. ACS Catal. 2019, 9, 6305. doi: 10.1021/acscatal.9b00896
104	Chou T. C. ; Chang C. C. ; Yu H. L. ; Yu W. Y. ; Dong C. L. ; Velasco-Velez J. J. ; Chuang C. H. ; Chen L. C. ; Lee J. F. ; Chen J. M. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2857. doi: 10.1021/jacs.9b11126
105	Chen C. J. ; Sun X. F. ; Yan X. P. ; Wu Y. H. ; Liu M. Y. ; Liu S. S. ; Zhao Z. J. ; Han B. X. Green Chem. 2020, 22, 1572. doi: 10.1039/d0gc00247j
106	Aran-Ais R. M. ; Scholten F. ; Kunze S. ; Rizo R. ; Cuenya B. R. Nat. Energy 2020, 5, 317. doi: 10.1038/s41560-020-0594-9
107	Shah A. H. ; Wang Y. J. ; Hussain S. ; Akbar M. B. ; Woldu A. R. ; Zhang X. H. ; He T. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 2046. doi: 10.1039/c9cp06009j
108	Permyakova A. A. ; Herranz J. ; El Kazzi M. ; Diercks J. S. ; Povia M. ; Mangani L. R. ; Horisberger M. ; Patru A. ; Schmidt T. J. ChemPhysChem 2019, 20, 3120. doi: 10.1002/cphc.201900468
109	Lei Q. ; Zhu H. ; Song K. P. ; Wei N. N. ; Liu L. M. ; Zhang D. L. ; Yin J. ; Dong X. L. ; Yao K. X. ; Wang N. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 4213. doi: 10.1021/jacs.9b11790
110	Li G. ; Qin Y. ; Wu Y. ; Pei L. ; Hu Q. ; Yang H. ; Zhang Q. ; Liu J. ; He C. Chin. J. Catal. 2020, 41, 830. doi: 10.1016/S1872-2067(19)63485-6
111	Yin Z. ; Yu C. ; Zhao Z. ; Guo X. ; Shen M. ; Li N. ; Muzzio M. ; Li J. ; Liu H. ; Lin H. ; et al Nano Lett. 2019, 19, 8658. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b03324
112	Karapinar D. ; Huan N. T. ; Ranjbar Sahraie N. ; Li J. ; Wakerley D. ; Touati N. ; Zanna S. ; Taverna D. ; Galvao Tizei L. H. ; Zitolo A. ; et al Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2019, 58, 15098. doi: 10.1002/anie.201907994
113	Thorson M. R. ; Siil K. I. ; Kenis P. J. A. J. Electrochem. Soc. 2012, 160, F69. doi: 10.1149/2.052301jes
114	Shinagawa T. ; Larrazábal G. O. ; Martín A. J. ; Krumeich F. ; Pérez-Ramírez J. ACS Catal. 2018, 8, 837. doi: 10.1021/acscatal.7b03161
115	Deng Y. ; Huang Y. ; Ren D. ; Handoko A. D. ; Seh Z. W. ; Hirunsit P. ; Yeo B. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 28572. doi: 10.1021/acsami.8b08428
116	Zhao Z. ; Peng X. ; Liu X. ; Sun X. ; Shi J. ; Han L. ; Li G. ; Luo J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 20239. doi: 10.1039/c7ta05507b
117	Zhu Q. G. ; Sun X. F. ; Kang X. C. ; Ma J. ; Qian Q. L. ; Han B. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 261.
	朱庆宫; 孙晓甫; 康欣晨; 马珺; 钱庆利; 韩布兴. 物理化学学报, 2016, 32, 261. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512101
118	Yoo J. S. ; Christensen R. ; Vegge T. ; Nørskov J. K. ; Studt F. ChemSusChem 2016, 9, 358. doi: 10.1002/cssc.201501197
119	Ma S. ; Sadakiyo M. ; Heima M. ; Luo R. ; Haasch R. T. ; Gold J. I. ; Yamauchi M. ; Kenis P. J. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 47. doi: 10.1021/jacs.6b10740
120	Lee S. ; Park G. ; Lee J. ACS Catal. 2017, 7, 8594. doi: 10.1021/acscatal.7b02822
121	Hoang T. T. H. ; Verma S. ; Ma S. ; Fister T. T. ; Timoshenko J. ; Frenkel A. I. ; Kenis P. J. A. ; Gewirth A. A. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5791. doi: 10.1021/jacs.8b01868
122	Zhang S. ; Fan Q. ; Xia R. ; Meyer T. J. Acc. Chem. Res. 2020, 53, 255. doi: 10.1021/acs.accounts.9b00496
123	Kottakkat T. ; Klingan K. ; Jiang S. ; Jovanov Z. P. ; Davies V. H. ; El-Nagar G. A. M. ; Dau H. ; Roth C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 14734. doi: 10.1021/acsami.8b22071
124	Huang J. ; Mensi M. ; Oveisi E. ; Mantella V. ; Buonsanti R. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2490. doi: 10.1021/jacs.8b12381
125	Zheng X. L. ; Ji Y. F. ; Tang J. ; Wang J. Y. ; Liu B. F. ; Steinruck H. G. ; Lim K. ; Li Y. Z. ; Toney M. F. ; Chan K. ; et al Nat. Catal. 2019, 2, 55. doi: 10.1038/s41929-018-0200-8
126	Jiang X. X. ; Wang X. K. ; Liu Z. J. ; Wang Q. L. ; Xiao X. ; Pan H. P. ; Li M. ; Wang J. W. ; Shao Y. ; Peng Z. Q. ; et al Appl. Catal. B 2019, 259, 8. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118040
127	Morimoto M. ; Takatsuji Y. ; Iikubo S. ; Kawano S. ; Sakakura T. ; Haruyama T. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 3004. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b11431
128	Xiong W. ; Yang J. ; Shuai L. ; Hou Y. ; Qiu M. ; Li X. Y. ; Leung M. K. H. ChemElectroChem 2019, 6, 5951. doi: 10.1002/celc.201901381
129	Wang J. ; Zou J. ; Hu X. ; Ning S. ; Wang X. ; Kang X. ; Chen S. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 27514. doi: 10.1039/c9ta11140a
130	Feng Y. ; Li Z. ; Liu H. ; Dong C. K. ; Wang J. Q. ; Kulinich S. A. ; Du X. W. Langmuir 2018, 34, 13544. doi: 10.1021/acs.langmuir.8b02837
131	Zhang Y. F. ; Zhao Y. ; Wang C. Y. ; Wei Z. X. ; Yang J. L. ; Ma J. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 21341. doi: 10.1039/c9cp03692j
132	Ren D. ; Ang B. S. H. ; Yeo B. S. ACS Catal. 2016, 6, 8239. doi: 10.1021/acscatal.6b02162
133	Malik K. ; Rajbongshi B. M. ; Verma A. J. CO₂ Util. 2019, 33, 311. doi: 10.1016/j.jcou.2019.06.020
134	Kim D. ; Xie C. L. ; Becknell N. ; Yu Y. ; Karamad M. ; Chan K. ; Crumlin E. J. ; Norskov J. K. ; Yang P. D. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8329. doi: 10.1021/jacs.7b03516
135	Fu J. J. ; Zhu W. L. ; Chen Y. ; Yin Z. Y. ; Li Y. Y. ; Liu J. ; Zhang H. Y. ; Zhu J. J. ; Sun S. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 14100. doi: 10.1002/anie.201905318
136	Jang Y. J. ; Lee J. ; Kim J. H. ; Lee B. J. ; Lee J. S. J. Power Sources 2018, 378, 412. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.12.070
137	Xiang H. ; Rasul S. ; Hou B. ; Portoles J. ; Cumpson P. ; Yu E. H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 601. doi: 10.1021/acsami.9b16862
138	Barasa G. O. ; Yu T. ; Lu X. ; Zhou X. ; Wang H. ; Qian L. ; Yu Y. ; Liu L. ; Lei P. Electrochim. Acta 2019, 295, 584. doi: 10.1016/j.electacta.2018.10.175
139	Chu S. L. ; Hong S. ; Masa J. ; Li X. ; Sun Z. Y. Chem. Commun. 2019, 55, 12380. doi: 10.1039/c9cc05435a
140	Mun Y. ; Lee S. ; Cho A. ; Kim S. ; Han J. W. ; Lee J. Appl. Catal., B 2019, 246, 82. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.01.021
141	Zhang S. ; Kang P. ; Bakir M. ; Lapides A. M. ; Dares C. J. ; Meyer T. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015, 112, 15809. doi: 10.1073/pnas.1522496112

Reaction	E⁰/V (vs RHE)	Product (name, abbreviation)
2H⁺ + 2e⁻ → H₂	0	hydrogen evolution reaction, HER
CO₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → HCOOH_(aq)	−0.12	formic acid
CO₂ + 2H⁺ + 2e^- → CO_(g) + H₂O	−0.10	carbon monoxide
CO₂ + 6H⁺ + 6e⁻ → CH₃OH_(aq) + H₂O	0.03	methanol, MeOH
CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → C_(s) + 2H₂O	0.21	graphite
CO₂ + 8H⁺ + 8e⁻ → CH_4(g) + 2H₂O	0.17	methane
2CO₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → (COOH)_2(s)	−0.47	oxalic acid
2CO₂ + 8H⁺ + 8e⁻ → CH₃COOH_(aq) + 2H₂O	0.11	acetic acid
2CO₂ + 10H⁺ + 10e⁻ → CH₃CHO_(aq) + 3H₂O	0.06	acetaldehyde
2CO₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → ETOH_(aq) + 3H₂O	0.09	ethanol, EtOH
2CO₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → C₂H_4(g) + 4H₂O	0.08	ethylene
2CO₂ + 14H⁺ + 14e⁻ → C₂H_6(g) + 4H₂O	0.14	ethane
3CO₂ + 16H⁺ + 16e⁻ → C₂H₅CHO_(aq) + 5H₂O	0.09	propionaldehyde
3CO₂ + 18H⁺ + 18e⁻ → C₃H₇OH_(aq) + 5H₂O	0.10	propanol, PrOH
CO + 6H⁺ + 6e⁻ → CH_4(g) + H₂O	0.26	methane
2CO + 8H⁺ + 8e⁻ → CH₃CH₂OH_(aq) + H₂O	0.19	ethanol, EtOH
2CO + 8H⁺ + 8e⁻ → C₂H_4(g) + 2H₂O	0.17	ethylene

[1]	项书宏, 杨旅, 徐应生, 曹国新, 周宏建. 利用碳纳米管分散的亚铁氰化锌钾电极选择性电吸附高盐放射性废水中的铯(Ⅰ)[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100097 - .
[2]	洪佳楠, 许辰宇, 刘烟, 黎昌棋, 王梦琳, 张彦威. 通过边缘活性位点调控解析光热催化中析氢与二氧化碳还原的界面竞争[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100099 - .
[3]	黄鋆, 聂鹏飞, 鲁勇朝, 李佳洋, 王怡文, 刘建允. 丝光沸石负载自支撑氮掺杂多孔碳纳米纤维电容器及高效选择性去除硬度离子[J]. 物理化学学报, 2025, 41(7): 100066 - .
[4]	张红红, 魏振, HaoDerek, 敬林, 刘雨溪, 戴洪兴, 魏伟钦, 邓积光. 非均相催化CO₂与烃类协同催化转化的最新进展[J]. 物理化学学报, 2025, 41(7): 100073 - .
[5]	杨祎, 周欣, 谷苗莉, 程蓓, 吴珍, 张建军. S型ZnO/CdIn₂S₄光催化剂制备H₂O₂偶联苄胺氧化的超快电子转移飞秒吸收光谱研究[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100064 - .
[6]	李朋, 崔元映, 王中辽, DawsonGraham, 邵春风, 代凯. CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇ S型异质结的高效界面电荷转移用于增强光催化CO₂还原[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100065 - .
[7]	陈润华, 吴琼, 罗婧宸, 祖小龙, 朱姗, 孙永福. 缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO₂还原的基础与展望[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 100019 - .
[8]	雷嘉莉, 王娟, 张文慧, 王国宏, 梁子辉, 李金懋. TiO₂/CdIn₂S₄ S型异质结光催化剂促进光催化产氢耦合香兰醇氧化[J]. 物理化学学报, 2025, 41(12): 100174 - .
[9]	Rohit Kumar, Anita Sudhaik, Aftab Asalam Pawaz Khan, Van Huy Neguyen, Archana Singh, Pardeep Singh, Sourbh Thakur, Pankaj Raizada. 设计串联S型光催化体系：机理见解、表征技术与应用[J]. 物理化学学报, 2025, 41(11): 100150 - .
[10]	管勤辉, 郭昱昊, 李娜, 李敬, 颜廷江. 分子筛介导的氧化铟催化剂用于增强光催化CO₂加氢[J]. 物理化学学报, 2025, 41(11): 100133 - .
[11]	霍怡廷, 周欣, 赵非凡, 艾陈斌, 吴珍, 常志东, 朱必成. TiO₂/CdS S型异质结促进光催化CO₂甲烷化及其飞秒瞬态吸收光谱机理研究[J]. 物理化学学报, 2025, 41(11): 100148 - .
[12]	薛仁杰, 马超, 何晶, 李雪超, 唐雁宁, 迟力峰, 张海明. 二维亚稳态自组装网格主客体识别中的催组装[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2309011 - .
[13]	刘晓菲, 王贺, 陶力, 任伟民, 吕小兵, 张文珍. 磷酸苄酯和亚磷酸苄酯衍生物与二氧化碳的电化学羧化反应[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2307008 - .
[14]	项东, 李坤振, 苗康华, 龙冉, 熊宇杰, 康雄武. 胺功能化的铜催化剂：氢键介导的电化学CO₂还原为C₂产物以及优越的可充电Zn-CO₂电池性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2308027 - .
[15]	杨菲菲, 周维, 杨超然, 张天雨, 黄延强. K修饰MoS₂催化剂用于CO₂高选择性加氢制甲醇[J]. 物理化学学报, 2024, 40(7): 2308017 - .

面向CO₂电化学转化的铜基催化剂研究进展

Recent Advances in Electrochemical CO₂ Reduction Using Copper-Based Catalysts

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