物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (8): 2307049.doi: 10.3866/PKU.WHXB202307049
所属专题: 二氧化碳资源化
收稿日期:2023-07-26
修回日期:2023-09-09
录用日期:2023-09-11
发布日期:2023-09-19
通讯作者:
Email: cchen@mail.tsinghua.edu.cn (陈晨)
作者简介:†These authors contribute equally to this work.
基金资助:
Yan Kong, Wei Wei, Lekai Xu, Chen Chen*(
)
Received:2023-07-26
Revised:2023-09-09
Accepted:2023-09-11
Published:2023-09-19
Contact:
Email: cchen@mail.tsinghua.edu.cn (Chen Chen)
Supported by:摘要:
以化石能源如煤、石油和天然气为主要能源的社会发展模式,不仅导致不可再生资源枯竭,还引发大气中CO2浓度持续上升的问题。随着人们对能源结构认识的深化和生态环境保护意识的增强,寻求有效的清洁CO2固定和转化技术已成为研究热点。这些技术可利用太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源,促进人工碳循环、碳储存,并缓解环境恶化。在众多CO2固定和催化转化技术中,常温常压下的CO2还原技术受到可再生能源的驱动,有助于人工碳循环、碳储存,减轻环境退化。目前,水溶液中的电催化CO2还原研究已取得显著进展,但在制造其他重要的有机小分子,如尿素、酰胺、胺及其衍生物,甚至氨基酸方面,仍有未开发的潜力。这些产品在肥料、化学品合成、医药化学和航空工业等领域有广泛应用,引起了广泛研究兴趣。通过氮集成的电催化CO2还原反应制造有机氮化合物,能显著提高CO2电还原技术的实际应用价值,同时也为生物小分子的起源提供参考,因此具有重要意义。然而,该过程涉及CO2和含氮无机物的电化学耦合,包含多步电子和质子转移过程,因此面临着缓慢的动力学和复杂的反应机制。在本综述中,我们详细讨论了氮集成电催化CO2还原生成不同产物的具体反应路径和合理的催化剂设计策略,这对于指导高效电催化剂的设计至关重要。尽管已经通过一系列策略取得了一定的研究进展,但仍然存在一些需要解决的挑战,这限制了它们在大规模实际应用中的发展。最后,我们对该领域的发展限制和改进的可能方向进行了讨论,希望这能有助于氮集成电催化CO2还原反应催化剂的进一步发展。
孔燕, 危伟, 徐乐凯, 陈晨. 电催化氮集成二氧化碳还原反应合成有机氮化合物[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8), 2307049. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307049
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表1
"
| Catalyst | Electrolyte | Product | FE | Formation rate | Ref. |
| Bi-BiVO4 | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 | urea | 12.55% | 5.91 mmol∙h−1∙g−1 | |
| Cu-Bi | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 | urea | 8.70% ± 1.70% | 0.45 ± 0.06 mg∙L−1 | |
| Cu single atoms/graphene sheets | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 + 0.1 mol∙L−1 KNO3 | urea | 28.00% | 1800 μg∙h−1∙mg−1 | |
| Fe-Ni single atoms | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 + 50 mmol∙L−1 KNO3 | urea | 17.80% | 20.2 mmol∙h−1∙g−1 | |
| Fe(amorphous)@C-Fe3O4/CNTs | 0.1 mol∙L−1 KNO3 | urea | 16.50% ± 6.10% | 1341.3 ± 112.6 μg∙h−1∙mg−1 | |
| F-rich CNTs | 0.1 mol∙L−1 KNO3 | urea | 18% | 6.36 mmol∙h−1∙g−1 | |
| Cu@Zn nanowires | 0.1 mol∙L−1 KNO3 + 0.2 mol∙L−1 KHCO3 | urea | 9.28% | 7.29 μmol∙cm−2∙h−1 | |
| Co-NiOx@graphdiyne | 0.01 mol∙L−1 NaNO2 | urea | 64.30% | 913.2 μg∙h−1∙mg−1 | |
| Co-PMDA-2-mbIM | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 | urea | 48.97% | 14.47 mmol∙h−1∙g−1 | |
| AuCu nanofibers | 0.01 mol∙L−1 NaNO2 | urea | 24.70% | 3.889 μg∙h−1∙mg−1 | |
| Zn nanobelts | 0.2 mol∙L−1 KHCO3 | urea | 11.26% | 15.13 mmol∙h−1∙g−1 | |
| In(OH)3 | 0.1 mol∙L−1 KNO3 | urea | 53.40% | 533.1 mg∙h−1∙mg−1 | |
| InOOH | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 | urea | 51.00% | 592.5 μg∙h−1∙mg−1 | |
| CeO2 | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 + 50 mmol∙L−1 KNO3 | urea | – | 943.6 μg∙h−1∙mg−1 | |
| Cu/CuO | 1 mol∙L−1 KOH | acetamide + formamide | 10% acetamide 0.4% formamide | 2.2 mA∙cm−2 acetamide 0.2 mA∙cm−2 formamide | |
| CoPc-NH2 | 0.1 mol∙L−1 KHCO3 | methylamine | 13% | 3.4 mA∙cm−2 | |
| Oxide-derived Cu | 1 mol∙L−1 KHCO3 | Ethylamine | 0.30% | – |
| 1 |
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