用于低浓度CO2转化的电催化剂设计
Electrocatalyst design for low-concentration CO2 conversion
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摘要: 碳达峰、碳中和目标的实现迫切需要高效的碳减排与资源化技术，而二氧化碳（CO2）电催化还原技术因反应条件温和、反应参数易外部调控、易与可再生能源结合等众多优势成为关键路径之一。目前，烟气和大气中的低浓度CO2直接转化仍面临传质受限、动力学缓慢及产物选择性低等挑战，亟待通过电催化剂设计突破技术瓶颈。系统综述了面向低浓度CO2转化的电催化剂设计策略，揭示了从微观结构到宏观性能的调控逻辑,旨在为高效催化体系的构建提供理论框架。通过尺寸工程形成纳米材料或构筑原子级分散的活性位点，可显著提升催化剂比表面积，提供更高密度的活性位点，还会影响催化剂的内在活性；形貌调控可实现催化剂微结构的精确调控，从增加比表面积、暴露高活性晶面等多种途径影响催化剂活性；缺陷工程能有效调整催化剂的表面成分、电荷分布、电子结构和活性位点，从而影响反应途径、活性和选择性；分子修饰在催化剂表面或内部引入分子，可以促进CO2吸附、稳定中间体、加速电子转移以及抑制活性颗粒的聚集或降解；仿生设计模拟生物体内的环境，通过酶催化HCO3?与CO2的快速相互转化，实现CO2的富集，突破低浓度CO2条件下传质限制的问题，为CO2电催化还原提供了新思路。此外，多设计策略协同可突破单一策略的局限性并充分发挥各策略的优势，进而实现更高的催化性能。然而，当前研究仍面临催化剂在复杂烟气环境下的稳定性差、C2+产物选择性低及工业化应用难等问题，未来通过在模拟烟气或大气条件下对CO2电催化反应机理、催化剂性能等的进一步研究，有望推动低浓度CO2电催化技术的实际应用。Abstract: The achievement of carbon peak and carbon neutrality goals urgently requires efficient carbon emission reduction and resource utilization technologies. Among these, electrocatalytic CO2 reduction stands out as a critical pathway due to its numerous advantages, such as mild reaction conditions, tunable parameters, and compatibility with renewable energy sources. However, direct conversion of low-concentration CO2 from flue gas or the atmosphere still faces challenges, including mass transfer limitations, slow kinetics, and low product selectivity. Breaking through these technical bottlenecks necessitates innovative electrocatalyst design. This paper systemati-
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