In vista di e preoccupazioni ambientali è di a transizione energetica, a riduzzione elettrochimica di CO2 (ECR) à i carburanti è i chimichi multicarboni (C2+) à valore aghjuntu, utilizendu l'electricità rinnuvevule, presenta una soluzione elegante à longu andà per chjude u ciculu di carbone cù benefici ecunomichi aghjuntu ancu.Tuttavia, l'accoppiamentu elettrocataliticu C─C in elettroliti aqueous hè sempre una sfida aperta per via di a bassa selettività, attività è stabilità.U disignu di catalizzatori è reattori tene a chjave per affruntà queste sfide.Riassumemu i prugressi recenti in quantu à ottene un accoppiamentu C─C efficiente via ECR, cun enfasi in strategie in elettrocatalizzatori è design di elettrodi / reattori elettrocatalitici, è i so meccanismi currispondenti.Inoltre, i colli di bottiglia attuali è l'opportunità futura per a generazione di prudutti C2 + sò discututi.Avemu u scopu di furnisce una revisione dettagliata di e strategie di accoppiamentu C─C di punta à a cumunità per un sviluppu ulteriore è ispirazione sia in l'intelligenza fundamentale sia in l'applicazioni tecnologiche.

A liberazione eccessiva di diossidu di carbonu (CO2) in l'atmosfera hà provocatu gravi cunsequenze ambientali è presenta ancu una minaccia urgente è potenzialmente irreversibile per e società umane (1, 2).Siccomu a cuncentrazione di CO2 atmosferica hà aumentatu drasticamente da 270 ppm (parts per million) à l'iniziu di l'anni 1800 à 401,3 ppm in lugliu 2015, un cunsensu mundiale nantu à u riciclamentu di l'impronta di carbonu emessa da l'attività umana hè stata ghjunta (3, 4).Per realizà u ciclu strettu per l'impronta di carbone, un approcciu potenziale hè di trasfurmà a dipendenza di l'industria energetica è chimica attuale da i combustibili fossili in fonti rinnuvevuli cum'è u solare è u ventu (5-8).Tuttavia, a frazione di energia da queste fonti rinnuvevuli hè limitata solu à u 30% per via di a so natura intermittente, salvu chì l'approcciu per u almacenamentu di energia à grande scala ùn sia dispunibule (9).Dunque, in alternativa, a cattura di CO2 da fonti puntuali cum'è e centrali elettriche, seguita da a cunversione in materie prime chimiche è carburanti, hè più praticamente viable (9-12).A riduzzione elettrocatalitica di CO2 (ECR) utilizendu l'electricità rinnuvevule rapprisenta una soluzione elegante à longu andà per via di e cundizioni di funziunamentu moderate necessarie per e cunversione, in quale i prudutti di valore aghjuntu puderanu esse pruduciutu selettivamente (13).Comu schematically illustratu in Fig. 1, in stu prucessu, l 'elettrolyzer electrochemical converts CO2 è acqua in chimichi è carburanti powered by electricity rinnuvevuli.U carburante resultanti hè capaci di almacenamiento à longu andà è pò ancu esse distribuitu o cunsumatu, dendu CO2 cum'è i rifiuti principali, chì saranu catturati è alimentati à u reattore per chjude u ciclu.Inoltre, e materie prime chimiche di picculi molecule resultanti [per esempiu, monossidu di carbonu (CO) è formate] da ECR ponu esse aduprate cum'è materie prime per una sintesi chimica più cumplicata.

I carburanti è i sustanzi chimichi puderanu esse ottenuti da ECR cù u ciculu di carbone chjusu alimentatu da fonti d'energia rinnuvevuli cum'è u solar, u ventu è l'idro.L'ingegneria cellulare è l'ingegneria di catalizzatore ghjucanu un rolu chjave per prumove a selettività, l'attività è l'efficienza per a cunversione di CO2 in prudutti C2+ à valore aghjuntu cù alta densità di energia.

Tuttavia, CO2 hè una molècula lineare abbastanza stabile cù un forte legame C═O (750 kJ mol−1) (14), facendu difficiule per a cunversione elettrochimica.Cusì, esige una alta barriera d'attivazione, chì, à u turnu, porta à significativu overpotentials (15).Inoltre, l'ECR in un elettrolitu acquoso implica prucessi di trasferimentu multi-elettroni / protoni inseme cù una quantità di diversi intermedii è prudutti di reazione pussibuli (16-18), facendu assai cumplessu.A Tabella 1 riassume e reazzioni termodinamica elettrochimica di i principali prudutti ECR, cumpresi CO, metanu (CH4), metanol (CH3OH), àcitu formicu (HCOOH), etilene (C2H4), etanol (CH3CH2OH), è cusì, è cusì. potenziali redox standard corrispondenti (19).In generale, durante un prucessu ECR, e molécule di CO2 sò prima sottumessi à l'adsorzione è l'interazzione cù l'atomi nantu à a superficia di u catalizzatore per furmà * CO2−, seguitu da diversi trasferimenti graduali di protoni è / o elettroni versu diversi prudutti finali.Per esempiu, si crede chì CH4 si forma per e seguenti vie: CO2 → *COOH → *CO → *CHO → *CH2O → *CH3O → CH4 + *O → CH4 + *OH → CH4 + H2O (20).

A Figura 2A riassume l'efficienza Faradaica (FE) in diverse tassi di produzzione (densità di corrente) per l'elettrocatalizzatori ECR riportati, chì rapprisenta a selettività di u produttu di a reazione (21-43).In particulare, mentre chì l'elettrocatalizzatori di punta ponu trasfurmà CO2 in prudutti C1 (CO o formiatu) cù più di 95% FE sottu un altu tassu di produzzione (> 20 mA cm-2 per a cellula di tipu H è> 100 mA cm-). 2 per a cellula di flussu) (9, 21, 22, 25, 28, 44, 45), a produzzione altamente selettiva (> 90%) è efficiente di più chimichi multicarboni (C2 +) dispunibuli ùn sò micca stati realizati finu à avà.Questu hè duvuta à u fattu chì l'accoppiamentu à i prudutti C2 + richiede l'arrivu è l'adsorption di parechje molécule di CO2 à a superficia, a trasfurmazioni stepwise, è u posizionamentu spaziale (13).Per esse specifichi, cum'è mostra in Fig. 2B, i reazzioni sussegwenti di * CO intermediate determinanu i prudutti C2 + finali di ECR.In generale, C2H6 è CH3COO− sparte u listessu * CH2 intermediu, chì hè generatu da i passi di trasferimentu elettronicu accoppiatu à protoni di * CO.L'ulteriore protonazione di *CH2 dà *CH3 intermediate, chì porta à a furmazione di C2H6 via dimerizazione *CH3.A cuntrariu di a generazione C2H6, CH3COO− hè furmatu da l'inserzione di CO in * CH2.A dimerizazione *CO hè u passu determinante per a furmazione di C2H4, CH3CH2OH è n-propanol (n-C3H7OH).Dopu una seria di passi di trasferimentu elettronicu è di protonazione, u dimeru *CO─CO forma l'intermediatu *CH2CHO, chì serve cum'è u passu di determinazione di selettività per C2H4 è C2H5OH.Inoltre, hè statu trovu chì a riduzzione di *CH2CHO à C2H4 hà una barriera energetica più bassa cà di trasfurmà *CH3CHO à C2H5OH (46), chì pò spiegà a FE più alta per C2H4 sopra C2H5OH in a maiò parte di i catalizzatori di rame.Inoltre, l'intermedii C2 stabilizzati puderanu trasfiriri à n-C3H7OH via inserzione di CO.I percorsi di reazione cumplessi è incontrollabili durante a furmazione chimica C2 + sò principalmente dovuti à parechje più permutazioni à i siti di protonazione, inseme cù l'implicazione pussibule di u passu non-elettrochimicu (19, 47).Comu tali, u disignu di electrocatalysts altamente selettivi hè un prerequisite per a furmazione specifica di produttu C2 + à altu rendiment.In questa rivista, vulemu mette in risaltu u prugressu recente nantu à e strategie in u disignu di l'elettrocatalizzatore per a generazione selettiva di prudutti C2 + via ECR.Avemu dinò un riassuntu di l'intelligenza di i meccanismi cunnessi.U disignu di l'elettrodi è di u reattore serà ancu enfatizatu per dimustrà cumu ottene u funziunamentu efficiente, stabile è à grande scala di ECR.Inoltre, discuteremu e sfide rimanenti è l'opportunità futura per a cunversione elettrochimica di CO2 in sustanzi chimichi C2+ à valore aghjuntu.

(A) L'FE in diverse tassi di produzzione (densità di corrente) per l'elettrocatalizzatori ECR riportati (21-43, 130).(B) A maiò parte di i percorsi C2 + pussibuli durante l'ECR.Riproduciutu cù permessu di a Società Chimica Americana (47).

A trasformazione elettrocatalitica di CO2 in carburanti chimichi è materie prime hè una tecnulugia potenziale per ottene un ciculu energeticu neutrale in carbonu (11).Tuttavia, u FE di i prudutti C2 + hè sempre luntanu da l'applicazione pratica, induve i catalizzatori di punta permettenu a produzzione di prudutti C2 cù circa 60% FE (13, 33), mentre chì a produzzione C3 hè limitata à menu di 10% FE (48, 49).L'accoppiamentu riduttivu di CO2 à i prudutti C2+ richiede catalizzatori eterogenei cù proprietà morfologiche è elettroniche altamente coordinate (50, 51).A superficia catalitica hà bisognu di rompe e relazioni di scala trà l'intermedii (47, 52, 53).Inoltre, per ottene a furmazione di legami C─C, l'intermedii di reazzione assorbita à a superficia di u catalizzatore deve esse vicinu à l'altru.Inoltre, u percorsu da l'intermediu inizialmente adsorbitu versu un pruduttu specificu C2+ deve esse ben cuntrullatu per via di i multipli passi di trasferimentu elettronicu assistitu da protoni.In cunsiderà l'alta cumplessità di a riduzione di CO2 versu i prudutti C2 +, l'elettrocatalizzatori duveranu esse adattati cù cura per aumentà a selettività.Sicondu e spezie intermedie è cumpusizioni chimichi, categurizà i prudutti C2 + in idrocarburi multicarboni è ossigenati (4, 54).Per avvicinà l'elettrocatalizzatori altamente efficaci per a produzzione di molecule C2 + specifiche, sò state dimustrate parechje strategie di cuncepimentu di catalizzatore, cum'è doping heteroatom, regulazione di facette di cristalli, lega / disligatura, sintonizazione di u statu d'ossidazione è cuntrollu di ligandi di superficia (35, 41, 55-61) .U cuncepimentu ottimale deve cunsiderà raziunale l'effetti sopra citati è maximizà i benefici.Altrimenti, capisce ciò chì i motivi di u situ attivu portanu à un cumpurtamentu cataliticu cusì unicu pò ancu splende una luce nantu à u disignu precisu di catalizzatore per l'accoppiamentu C─C.Dunque, cumu cuncepisce un catalizzatore ECR versu prudutti specifichi (idrocarburi multicarboni è ossigenati) è u mecanismu cunnessu seranu discututi in questa parte.

L'idrocarburi C2 +, cum'è C2H4, sò chimichi nexus per una varietà di industrii chimichi, cum'è a produzzione di polietilene (62, 63).Inoltre, puderia esse utilizatu direttamente cum'è carburante per a saldatura o un cumpunente mistu in gas naturale (12).L'idrogenazione di CO (sintesi Fischer-Tropsch) è CO2 hè stata aduprata per pruduce l'idrocarburi C2+ per un bellu pezzu in scala industriale, ma sfidata da un altu cunsumu d'energia è l'impattu ambientale (64).In cuntrastu forte, a riduzzione elettrochimica di CO2 cù l'energia rinnuvevule furnisce una strada più pulita è sustinibule.Un grande sforzu hè statu fattu per sviluppà elettrocatalizzatori efficienti versu l'idrocarburi C2 + (32, 33, 65-70).

L'elettrocatalizzatori bimetallici sò stati largamente investigati per rompe a relazione di scala durante a cunversione di CO2 elettrochimica, chì pò stabilizzà l'intermediu chjave è calà l'overpotential è, cusì, à u turnu, aumentanu a selettività (71-74).Mentre una serie di materiali in lega cumpresi Au-Cu, Ag-Cu, Au-Pd è Cu-Pt sò stati dimustrati per a produzzione di C1 d'alta efficienza stabilizzandu l'intermediu criticu (73, 75), l'effettu di lega versu a furmazione di idrocarburi C2+ pare. per esse più cumplessu (76).Per esempiu, in u sistema bimetallicu Cu-Ag, a distribuzione di u produttu pò esse facilmente cuntrullata da a sintonia di u rapportu atomicu di a superficia di Ag è Cu (77).U campionu di superficia ricca di Cu hè preferitu per a produzzione d'idrocarburi, mentre chì i prudutti di a superficia ricca di Ag sò duminati da CO, chì mette in risaltu l'impurtanza di a ratio atomica per l'elettrocatalizzatori ECR in lega.L'effettu geomitricu causatu da l'arrangiamentu atomicu lucale pò influenzà significativamente a forza di ubligatoriu di l'intermedii.Gewirth è i cullaburatori (36) dimustranu chì l'aliati di Cu-Ag da l'elettrodeposizione cuntrullata da additivi presentanu ~ 60% FE per C2H4 in un electrolyzer alkaline flow (Fig. 3, A è B).In questu casu, a selettività C2H4 ottimizzata pò esse ottenuta da a morfologia è l'accordu Ag-loading.I siti Ag eranu criduti per ghjucà u rolu di un promotore per a furmazione di CO durante l'ECR.Allora, a dispunibilità ottimali di l'intermediu CO puderia aiutà l'accoppiamentu C─C in u Cu vicinu.Inoltre, Ag pò ancu prumove a furmazione di Cu2O durante a sintesi di catalyseur Cu-Ag (Fig. 3C), risultatu in l'efficienza di a produzzione C2H4 rinfurzata.Questa sinergia apre novi pussibulità per u sviluppu di catalizzatori di accoppiamentu C─C.Inoltre, u mudellu di mischju di diversi metalli in u sistema di lega puderia ancu determinà a distribuzione di i prudutti ECR.Aduprà Pd-Cu alea cum'è un esempiu (Fig. 3D), Kenis è i cullaburatori (71) dimustratu chì un catalyseur Pd-Cu separatu in fase pò offre a selettività più alta (~ 50%) per C2H4 cumparatu cù u so urdinatu è disordine. contraparti.Sicondu a teoria di a banda d, tipicamente, u metale di transizione cù un centru di banda d inferiore mostra un ligame più debule di l'intermedii generati in situ nantu à e superfici metalliche (78).Mentre a lega Pd-Cu separata in fasi mostrava una selettività catalitica è un'attività simili per u CO cù nanoparticelle di Cu (NP), offre una forza di legame completamente diversa versu l'intermedii per l'accordu Pd.Cum'è mostra in Fig. 3E, l'alliage Cu-Pd à fasi siparati mostrava u centru di a banda d di u più bassu, mentri quellu di Cu NP hè u più altu.Suggerisce chì a lega Cu-Pd separata da fasi hà avutu a forza di ligame più bassa per l'intermediu CO.Questa osservazione implica chì l'effettu geomètrico è strutturale pò ghjucà un rolu più grande cà l'effettu elettronicu per migliurà a selettività di l'idrocarburi in u casu di lega Cu-Pd separata in fasi.Finu a data, solu rame puro o lega di rame mostra una selettività superiore è attività per a riduzione elettrochimica di l'idrocarburi CO2 à C2+.Cusì, hè assai necessariu di sviluppà un novu electrocatalyst per a produzzione di idrocarburi C2+ da ECR.Ispiratu da l'idrogenazione di CO2, un studiu preliminariu hà dimustratu chì l'alliage Ni-Ga cù diverse fasi puderia esse usatu per a generazione di C2H4 (79).Hà dimustratu chì a film Ni5Ga3 puderia riduce CO2 à C2H4 è etanu (C2H6).Ancu se u FE versu l'idrocarburi C2 + hè menu di 5%, pò apre novi linee per u screening di l'elettrocatalizzatore versu l'accoppiamentu C─C basatu annantu à l'effettu di a lega.

(A à C) Catalizzatori bimetallici Cu-Ag fabbricati da l'elettrodeposizione cuntrullata da additivi: (A) microscopia elettronica a scansione (SEM) di filu Cu, poli Cu-Ag è filu Cu-Ag è (B) C2H4 FE corrispondente.(C) L'EXAFS hà dimustratu chì u filu Cu-Ag hè statu mischju omogeneamente è l'ossidu di Cu (I) hè statu presentatu.(A) à (C) sò riproduci cù permessu di l'American Chemical Society (36).(D è E) Catalizzatori Cu-Pd cù diversi mudelli di mistura: (D) Illustrazioni, immagini di microscopia elettronica di trasmissione (TEM) è carte di elementi di spettroscopia a dispersione di energia di leghe Cu-Pd ordinate, disordinate è separate in fase è (E) ) spettri di fotoemissione di a banda di valenza di a superficia è u centru di a banda d (a linea verticale) di leghe Cu-Pd relative à u livellu di Fermi.(D) è (E) sò riprodotti cù permessu di a Società Chemica Americana (71).au, unità arbitrarie.

In più di l'effettu di a lega, a manipulazione di i stati d'ossidazione hè un altru principiu maiò per sintonizà a prestazione di l'elettrocatalizzatori, chì ponu influenzà a struttura elettronica lucale di u materiale.U primu esempiu per a sintonizazione di u statu di oxidazione di u catalizzatore hè di utilizà materiali derivati ​​da l'ossidu.L'spezie di l'ossigenu residuale nantu à a superficia o subsuperficie di u catalizzatore dopu a riduzzione in situ pò regulà u statu d'ossidazione di u centru metallicu.Per esempiu, u plasma-ossidatu Cu dimustrava più di 60% di selettività versu C2H4, chì hè stata attribuita à u Cu+ resistente à a riduzione (37).Per cunfirmà chì Cu + hè u paràmetru chjave per a selettività alta di l'etilene, avemu realizatu esperimenti di cuntrollu cù diversi plasma (Fig. 4A).A spettroscopia di assorbimentu di raghji X duri in situ hà ancu dimustratu chì l'ossidi residuali in u stratu (sotto)superficiale sò stabili contr'à a cundizione di riduzzione, cù una quantità significativa di spezie Cu + chì restanu dopu à 1 ora di riduzzione à putenziali relativamente alti di -1.2 V versus reversibile. l'elettrodu di l'idrogenu (RHE).Inoltre, l'elettroredeposizione di rame da un ossicloruro di rame sol-gel hà verificatu di novu chì e spezie Cu+ di superfici stabilizzate puderanu migliurà a selettività di C2H4 (61).U statu d'ossidazione di un catalizzatore di rame sottu à diversi putenziali applicati hè statu tracciatu cù spettroscopia di assorbimentu di raghji X in situ risolta in u tempu.U passu iniziale di transizione da Cu2+ à Cu+ hè assai veloce;Tuttavia, l'ulteriore riduzione elettrochimica di spezie Cu + à Cu0 hè assai più lenta.Circa 23% di e spezie Cu + fermanu ancu dopu à una riduzzione constante di 1 ora sottu -1.2 V versus RHE (Fig. 4B).Studi meccanicistici anu revelatu chì l'interfaccia trà Cu+ è Cu0 porta à l'attrazione elettrostatica trà intermedii postu chì l'atomu C di *CO@Cu+ hè carcu positivamente, mentre chì quellu di *CO@Cu0 hè caricatu negativamente (80), chì, à u turnu, prumove u Formazione di legami C─C è cusì produce idrocarburi C2+.In più di i materiali derivati ​​da l'ossidu, u nitruru di cobre (Cu3N) hè statu ancu utilizatu per ottene spezie (sotto)superficie Cu + per diminuisce a barriera energetica di dimerizazione di *CO (81).Inoltre, paragunatu cù Cu derivatu da l'ossidu, Cu3N-derivati ​​Cu + spezie sò ancu più stabile (Fig. 4C).Di conseguenza, il catalizzatore di rame derivato dal nitruro presenta un FE di 39 ± 2% per C2H4, superando il Cu puro (~23%) e il Cu derivato dall'ossido (~28%).Analogamente à u sistema cataliticu Cu+/Cu sopra menzionatu, u boru hè statu utilizatu cum'è un dopante eteroatomicu per intruduce è stabilizà Cuδ+ (41).U statu d'ossidazione mediu di u ramu pò esse cuntrullatu da + 0,25 à + 0,78 cambiendu a cuncentrazione di dopante di boru.A densità prughjettata di stati hà dimustratu chì l'elettroni trasferiti da u ramu à u boru, purtendu à un situ di ramu caricatu positivamente indottu da dopante.U ramu drogatu di boru dimustrava una crescita di l'energia di furmazione di *CHO intermediate è, cusì, suppresse a via di reazione versu i prudutti C1.Inoltre, pò aumentà a selettività versu l'idrocarburi multicarboni diminuendu l'energia di reazione di dimerizazione * CO (Fig. 4D).Per ottimisazione di u statu d'ossidazione di a superficia media di u ramu, un altu C2 FE di ~ 80% cù ~ 53% C2H4 puderia esse ottinutu sottu un statu d'oxidazione di cobre mediu di + 0,35 (Fig. 4E).A data, i siti attivi nantu à u ramu sò stati identificati cum'è Cu0, Cuδ +, è / o a so interfaccia per ECR in diversi studii (39, 41, 42, 81, 82).Tuttavia, ciò chì hè u situ attivu hè sempre dibattutu.Mentre chì i catalizzatori Cuδ+ indotti da doping heteroatom sò stati dimustrati per esse assai attivi per ECR versu i prudutti C2+, l'effettu sinergicu da i difetti è l'interfacce generati simultaneamente deve esse cunsideratu.Per quessa, si deve esse sviluppatu carattarizazioni sistematiche in operandu per identificà u centru attivu nantu à a superficia di rame è monitorà a putenziale trasfurmazioni in situ di i siti attivi in ​​cundizioni di reazione.Inoltre, a stabilità di u ramu carica positivamente hè una altra preoccupazione in cundizioni di riduzzione elettrochimica.Cumu sintetizà catalizzatori cù siti stabili di Cuδ + resta una sfida.

(A) Riassuntu di a selettività C2H4 di diversi catalizzatori di rame attivati ​​da plasma.Riproduce cù u permessu di u Gruppu d'Edizzioni Natura (37).Scale bars, 500 nm.(B) Rapportu di stati di ossidazione Cu relative à u tempu di reazione à -1.2 V versus RHE in rame elettroredeposited.Riproduce cù u permessu di u Gruppu d'Edizzioni Natura (61).(C) Rapporto di specie Cu + con una funzione di tempo di reazione a -0,95 V versus RHE in Cu-on-Cu3N o Cu-on-Cu2O.Riproduce cù u permessu di u Gruppu d'Edizzioni Natura (81).(D) U doping di boru hà sappiutu cambià l'energia di adsorzione media di CO in a superficia di rame è calà l'energia di dimerizazione CO─CO.1[B], 2[B], 3[B], 4[B], è 8[B] si riferiscenu à a cuncentrazione di doping di boru sotterraneo in i catalizzatori di rame, chì eranu 1/16, 1/8, 3/ 16, 1/4 è 1/2, rispettivamente.(E) A relazione trà u statu d'ossidazione è FE di i prudutti C2 o C1 in catalizzatori di cobre dopatu di boru.(D) è (E) sò riproduci cù u permessu di u Gruppu di l'Edizione Natura (41).(F) L'imaghjini SEM di fogli di rame cù diversi spessori di film Cu2O prima (in cima) è dopu (in fondu) ECR.Riproduce cù permessu da a Società Chimica Americana (83).

In più di a struttura elettronica, i materiali derivati ​​da l'ossidu pò ancu purtà à a morfologia o l'evoluzione di a struttura durante u prucessu di riduzzione in situ.Da a perspettiva di a morfologia o di a struttura, a prestazione elettrochimica rinfurzata di l'elettrocatalizzatori derivati ​​da l'ossidu hè stata attribuita à a furmazione di cunfini di granu attivi, bordi è passi (83-85).Yeo è i cullaburatori (83) anu riportatu l'accoppiamentu C─C selettivu nantu à i filmi Cu2O electrodeposited cù diverse spessi (Fig. 4F).La spectroscopie Raman in situ a révélé que la surface des films de Cu2O était réduite à un Cu0 métallique stable pendant l'ECR (83).In u risultatu, Cu0 metallicu hè statu cunfirmatu cum'è u centru attivu cataliticu invece di spezie Cu+ o l'interfaccia Cu+/Cu0.In u prucessu di riduzzione di Cu2O à Cu0 metallicu, a superficia di u catalizzatore hè prubabilmente in situ formate passi, bordi è terrazze.Hè statu nutatu chì i passi furmati è i bordi sò più attivi chè i terrazze, urigginati da a so ligame più forte cù *CO, chì ponu più hydrogenate *CO à *CHO o *CH2O.Inoltre, l'atomi di Cu bordu sò un promotore per spinta a furmazione *CHO è *CH2O.U travagliu precedente hà suggeritu chì l'intermedi *CHO è *CH2O sò più favurevuli per l'accoppiamentu C─C cà * CO in cinetica (86).Regulendu a morfologia di a superficia, l'energii di chimisorption di l'intermedi *CHO è *CH2O ponu esse ottimizzati.In questu studiu, l'autori anu truvatu chì l'FE di C2H4 diminuite da 40 à 22% quandu anu aumentatu l'épaisseur di a film fina Cu2O da 0,9 à 8,8 μm.Questu hè dovutu à a cuncentrazione di Cu bassu coordinatu chì hà aumentatu cù l'aumentu di u spessore di Cu2O.Questi atomi sottocoordinati ponu unisce forte cù H è, cusì, sò più preferiti per l'evoluzione di l'idrogenu cà l'accoppiamentu C─C.Stu travagliu hà dimustratu chì u catalizzatore di rame derivatu da l'ossidu pò rinfurzà significativamente a selettività C2H4 via a ricustruzzione di a morfologia di a superficia invece di introduzzione di spezie Cuδ + caricate.Utilizendu i catalizzatori derivati ​​da l'ossidu, l'etanu (C2H6) hè statu ancu pruduciutu selettivamente cù l'aiutu di l'additivu di cloruru di palladium (II) (PdCl2) in elettrolitu (34).Hà dimustratu chì u PdClx adsorbitu nantu à a superficia di Cu2O-derivatu hà ghjucatu un rolu vitale per l'evoluzione di C2H6.Specificamenti, CO2 hè stata prima ridutta à C2H4 in i siti di Cu attivi derivati ​​​​di Cu2O, è dopu u C2H4 furmatu hè idrogenatu cù l'assistenza di PdClx adsorbitu per pruduce C2H6.U FE di C2H6 hà aumentatu da <1 à 30.1% cù l'assistenza di PdCl2.Stu travagliu suggerisce chì a cumminazione di u catalizzatore ECR ben definitu è ​​l'additivu elettrolitu pò apre novi opportunità per a generazione di produtti C2 + specifichi.

A morfologia è / o a regulazione di a struttura rapprisentanu una altra strategia alternativa per modulà a selettività è l'attività catalitica.U cuntrollu di a dimensione, a forma è e facetti esposti di u catalizzatore hè statu largamente dimustratu per a migliione di u rendiment ECR (58, 87, 88).Per esempiu, a facet Cu (100) hè intrinsecamente preferita per a generazione C2H4, mentri u pruduttu duminatu da u catalizzatore Cu (111) hè metanu (CH4) (87).In un studiu di Cu nanocrystals cù vari formi è dimensioni, Buonsanti è cullaburatori (58) palesu una dependenza di taglia nonmonotonic di u C2H4 selectivity in cube-shaped nanocrystals ramu (Fig. 5A).Intrinsecamente, i nanocristalli di Cu cubi mostranu una attività C2H4 è una selettività più elevata di i nanocristalli Cu sferici per via di a predominanza di a facetta (100).A dimensione di cristalli più chjuchi di Cu cúbicu puderia offre una attività più alta per via di l'aumentu cuncintrazione di siti di superficia bassu-coordinata, cum'è anguli, scalini è pieghe.In ogni casu, a chimisorption più forte di i siti bassu coordinati hè stata accumpagnata da una selettività H2 è CO più alta, risultatu in una FE di idrocarburi generale più bassa.Per d 'altra banda, u rapportu di i siti di punta à i siti di l'aviò diminuite cù l'aumentu di a dimensione di particella, chì afecta ancu a prestazione di a produzzione C2H4.L'autori anu dimustratu chì i nanocubi di rame di dimensione intermedia cù una lunghezza di 44 nm mostranu a selettività C2H4 più alta per via di l'equilibriu ottimizatu trà a dimensione di particella è a densità di siti di bordu.Inoltre, a morfologia pò ancu influenzà u pH lucale è u trasportu di massa durante l'ECR.Hè statu dimustratu chì u pH locale elevatu in a vicinanza di a superficia di catalizzatore, chì hè causatu da l'OH- generatu in situ, supprime a via di reazione implicata da i protoni.In u risultatu, a furmazione di l'idrocarburi C2 + attraversu a dimerizazione *CO puderia esse rinfurzata, è u CH4 furmatu da l'intermediatu *COH puderia esse inibitu.Copper nanowire arrays (Fig. 5B) hè statu dimustratu per ottene u pH locale aumentatu (68).Cum'è un elettrolitu cumunimenti utilizatu, a suluzione di bicarbonate di potassiu saturatu di CO2 (KHCO3) neutralizà rapidamente l'OH− (HCO3− + OH− = CO32− + H2O) è diminuisce u pH locale.Cù una microstruttura allungata, a diffusione di HCO3- in i matrici di nanofili di Cu pò esse in qualche modu minata in modu chì l'effettu di neutralizazione per l'OH- lucale serà soppresso in una certa misura.In basa di un principiu simili, e maglia di cobre cù mesopori cuntrullati precisamente (Fig. 5C) dimustratu FE rinforzatu per a produzzione C2H4 o C2H6 (32).Hà dimustratu chì u pH lucale in a superficia di l'elettrodu puderia esse aumentatu ristringendu a larghezza di i pori, risultatu in una diminuzione di u produttu C1 FE è un pruduttu C2 FE.Inoltre, aumentendu a prufundità di i pori, u pruduttu di riduzzione maiò puderia esse sintonizatu da C2H4 à C2H6.U FE di C2H6 era altu cum'è 46%.Siccomu i sustanzi chimichi sò stati cunfinati in i pori durante l'ECR, u tempu di ritenzione prolongatu di l'intermedii chjave causati da i pori più profondi hè statu spiegatu cum'è u mutivu principale di l'alta selettività versu l'idrocarburu C2 saturatu.Le nanofibre Cu derivate da CuI mostravano anche una elevata selettività verso C2H6 (FE = 30% a -0.735 V versus RHE) (89).A morfologia anisotropica è l'alta rugosità di a superficia di e nanofibre Cu derivate da CuI ponu migliurà l'efficienza di trapping di H2 assorbutu è cusì aumentanu l'FE di C2H6.

(A à C) Effetti di morfologia o struttura.(A) Densità di atomi (assi manca) è u rapportu di atomi à i siti di punta (Nedge) à l'atomi nantu à u pianu (100) (N100) (assi dritta) in pertinenza à a lunghezza di u bordu (d).Riproduciutu cù permessu di John Wiley and Sons (58).(B) Schema di morfologia causatu cambiante di pH.Riproduciutu cù permessu di John Wiley and Sons (68).(C) Selettività di u produttu di ramu mesoporu cù diverse dimensioni di pori è prufundità.Riproduciutu cù permessu di John Wiley and Sons (32).(D à H) Effetti ligandi.(D è E) ECR nantu à nanowire di cobre (Cu NW) cù diversi tipi d'aminoacidi (D) o modificatori (E) à -1.9 V. Riproduciutu cù permessu di a Royal Society of Chemistry (35).(F) Tassi di pruduzzione di C2H4 in diversi elettroliti di alogenuri cù differenti potenziali di adsorbimentu nantu à Cu (35).Riproduce cù permessu da a Società Chimica Americana (91).NHE, elettrodu d'idrogenu normale.(G) FE di C2H4 è CO in differente cuncintrazzioni di electrolytes KOH è (H) Tafel slope di C2H4 in differente cuncintrazzioni di electrolytes KOH.(G) è (H) sò riprodotti da l'Associazione Americana per l'Avanzamentu di a Scienza (AAAS) (33).

A modificazione di a superficia di u catalizzatore cù e molécule petite hè una altra strategia ben cunnisciuta per migliurà a prestazione elettrochimica di ECR.Questa strategia pò influenzà u microambientu vicinu à a superficia di u catalizzatore, chì pò stabilizzà l'intermedii chjave per l'interazzione trà ligand superficia è intermediate.L'amina hè stata rappurtata cum'è un modificatore per prumove l'ECR (35).Diversi aminoacidi, cumprese glicina (Gly), dl-alanine (Ala), dl-leucine (Leu), dl-triptofano (Tyr), dl-arginine (Arg) è dl-triptofano (Trp), sò stati studiati per studià i so effetti nantu à i nanofili di cobre (35).Cum'è mostra in Fig. 5D, tutti i ligandi basati in aminoacidu eranu capaci di migliurà a selettività di l'idrocarburi C2 +.Un tali rinfurzà suggerisce chì i gruppi funziunali ─COOH è ─NH2 in aminoacidu sò probabilmente rispunsevuli di a selettività rinfurzata di ECR.I rapporti precedenti anu illustratu chì l'adsorption di aminoacidi nantu à a superficia di Cu hè stata ottenuta per mezu di i gruppi ─COOH è ─NH2 (35, 90).L'acidu stearic (C17H35COOH, RCO2H), chì cuntene solu u gruppu ─COOH, hè statu sceltu per identificà u rolu di ─COOH.Altri modificatori, cum'è a-anthraquinone diazonium salt (AQ), o-nitrobenzene diazonium salt (PhNO2), è dodecyl mercaptan (C12H25SH, RSH), chì ùn cuntene nè gruppi ─COOH nè ─NH2, sò stati ancu investigati.In ogni casu, tutti ùn eranu micca pusitivi per a migliione di l'idrocarburi C2 + FE (Fig. 5E).I calculi teorichi indicanu chì i gruppi ─NH3+ in a glicina zwitterionica adsorbita puderia stabilizzà * CHO intermediate per via di a so forte interazzione, cum'è i ligami d'idrogenu.L'introduzione di ioni alogenuri in l'elettroliti hè un altru modu per mudificà i catalizzatori (91, 92).Cum'è mostra in Fig. 5F, a rata di produzzione C2H4 nantu à Cu attivatu da u plasma puderia esse aumentatu significativamente cù l'assistenza di l'additivi alogenuri.Hè statu dimustratu chì l'ioni I− hè più attivu cà Br− è Cl−, in accordu cù l'energia di adsorbimentu currispundenti di I−, Br−, è Cl− nantu à a faccia Cu (100) (91).In più di l'alogenuri, l'ioni di l'idrossidu anu ancu un effettu pusitivu nantu à a selettività C2H4.Ricertamenti, Sargent è i cullaburatori (33) anu riportatu a cunversione CO2-à-C2H4 cù ~ 70% FE utilizendu l'elettrolitu di l'idrossidu di potassiu (KOH) cuncentratu (finu à 10 M) in una cellula di flussu.Comu mostra in Fig. 5G, u potenziale di l'iniziu di CO è C2H4 in 10 M KOH electrolyte era assai più bassu cumparatu à quellu in 1 M KOH.Inoltre, i pendii di Tafel (Fig. 5H) di a furmazione di C2H4 diminuite cù l'aumentu di a concentrazione di l'idrossidu (135 mV decade-1 in 1 M KOH è 65 mV decade-1 in 10 M KOH), suggerendu a trasmutazione di a tarifa generale- passu determinante.I risultati di a teoria funziunale di a densità (DFT) anu dimustratu chì a prisenza di l'idrossidi cuncentrati puderia abbassà l'energia di u ligame di l'intermediu CO è hà ancu aumentatu u squilibrio di carica trà dui atomi di carbone in l'intermedii OCCO adsorbiti.In u risultatu, l'intermediu OCCO seria più stabilizatu per mezu di una attrazione di dipolu più forte, chì porta à una barriera energetica di attivazione più bassa per a dimerizazione di CO, chì poi migliurà u rendiment generale.

L'ossigenati C2 + cum'è l'etanol (CH3CH2OH) sò una altra categuria maiò di prudutti ECR assai preziosi.A sintesi industriale di l'etanol hè un prucessu d'energia intensiva, chì cunsuma ancu una grande quantità di etilene o materie prime agricule (40).Cusì, a produzzione elettrocatalitica di etanolu o altri ossigenati C2 + da CO2 hà assai sensu ecunomicu è ambientale.Siccomu a generazione di etanolu da ECR hà spartutu un penultimu intermediu cù C2H4 chì hè * C2H3O (43), l'idrogenazione selettiva di questu intermediariu puderia cambià i percorsi ECR da C2H4 à l'alcooli (64).Tuttavia, in a maiò parte di i sistemi, a selettività versu l'ossigenati C2 + hè assai più bassu di l'idrocarburi (31, 37, 39, 41, 42, 67).Cusì, in questa sezione, metteremu in risaltu e strategie di cuncepimentu di l'elettrocatalizzatore chì ponu ottene un FE di ossigenatu C2 + impressiunanti di più di 25%.

Cum'è discutitu sopra, i catalizzatori bimetallici ben cuncepiti ponu migliurà a selettività è l'attività per a produzzione d'idrocarburi C2+.Una strategia simile, ma micca identica, hè stata ancu aduprata per migliurà a prestazione elettrocatalitica per l'ossigenati C2 + (38, 93, 94).Per esempiu, i catalizzatori Cu-Cu2O incorporati in Ag anu mostratu una selettività di etanolu sintonizzabile, è a più alta FE etanolu era 34.15% (95).U limitu bifasicu in a lega Ag-Cu miscelata in fasi, invece di u rapportu atomicu Ag/Cu, hè statu identificatu cum'è u fattore chjave per a produzzione selettiva di etanolu.Siccomu u situ di Cu hè assai vicinu à u situ Ag in un mudellu di fasi mischiate (Ag-Cu2OPB), a rata di furmazione di l'intermedii di etanolu per u campione di fasi mischiate pò esse prumuvutu in paragunà à a fase separata (Ag-Cu2OPS). ), chì porta à un megliu rendimentu di generazione di etanolu.In più di l'etanol, i NP bimetallici Cu-Ag sò stati ancu dimustrati per cunvertisce CO2 in acetate cù l'aghjunzione di benzotriazole (93).À -1.33 V versus RHE, l'FE di l'acetate era 21.2%.In questu casu, sò stati pruposti dui percorsi di reazione pussibuli: Unu hè basatu annantu à a dimerizazione di CO, è l'altru hè nantu à l'inserzione di CO, chì mette in risaltu u rolu criticu di a furmazione intermedia di CO in siti Ag attivi.Una osservazione simili hè stata infurmata in i catalizzatori Cu-Zn (Fig. 6, A è B) per a produzzione di etanol (38).Sintonizzandu u cuntenutu di Zn in i catalizzatori in lega di Zn-Cu, u rapportu di etanolu versus C2H4 FE puderia esse bè cuntrullatu in u intervalu di 0,48 à 6, chì suggerenu l'impurtanza di i siti di evoluzione di CO per a furmazione di l'ossigenatu C2+.A furmazione di catalizzatori ligati pò induce l'effettu di strain in u materiale di a matrice, chì pò esse micca desideratu à volte.Cusì, una strada diretta versu i catalizzatori bimetallici puderia esse più adattatu per certi prudutti di destinazione.Jaramillo è i so cumpagni (96) anu custruitu un sistema bimetallicu Au-Cu simplificatu, sintetizatu da a deposizione diretta di NPs d'oru nantu à una foglia Cu policristallina, per investigà l'effettu di catalisi tandem.L'Au-Cu bimetallicu hà mostratu una selettività sinergica è una attività versu l'alcoli C2+, superendu u rame puru è l'oru, è l'liga Au-Cu.In cunfrontu cù u fogliu di Cu, u sistema bimetallicu Au-Cu dimustrava una cuncentrazione di CO locale aumentata per a presenza di Au NPs (Fig. 6C) chì eranu attivi per a generazione di CO.Siccomu l'oru ùn hè micca attivu per a riduzzione di CO, a rata di produzzione d'alcol C2 + rinfurzata nantu à i catalizzatori bimetallici Au-Cu hè stata attribuita à un mecanismu di catalisi tandem.In particulare, i NP d'oru puderanu generà una alta concentrazione di CO locale vicinu à a superficia di Cu.In seguitu, l'abbundanti moleculi di CO lucali ponu esse ridotti in più in alcoli C2+ da Cu.

(A à C) Effetti Alloy.(A) Massimu FE di etanolu è C2H4 è u rapportu FE di etanolu è etilene nantu à diverse leghe Cu-Zn.(B) Densità di corrente parziale di etanolu in diverse leghe Cu-Zn.(A) è (B) sò riprodotti cù permessu di a Società Chimica Americana (38).(C) CO2 riduzzione è tassi di evoluzione CO in oru, ramu, è u sistema bimetallicu Au-Cu.Riproduce cù u permessu di u Gruppu d'Edizzioni Natura (96).(D à L) Effetti di morfologia o struttura.(D) Illustrazione schematica di u metudu di ciculu di ioni di metalli.(E è F) L'imaghjini SEM di Cu 100-ciclu prima (E) è dopu (F) a preriduzzione in cundizioni ECR.(G) TEM è a diffrazione di l'elettroni selezziunati suggeriu chì Cu (100) sò stati esposti è (H) energia libera per a furmazione * OCCO è * OCCHO nantu à Cu (100), Cu (111) è Cu (211).(D) à (G) sò riproduci cù u permessu di u Gruppu di l'Edizione Natura (42).(I) Rapporto di ossigenati e idrocarburi in funzione di potenziale su Cu (111), Cu (751) e Cu (100).(J) Numeri di coordinazione per Cu (111), Cu (100) è Cu (751).(I) è (J) sò riproduci cù permessu di l'Accademia Naziunale di Scienze (97).(K) Schema di u prucessu di trasfurmazioni da Cu NP à rame cubic-like.Riproduciutu cù permessu di l'Academia Naziunale di Scienze (98).(L) L'imaghjini SEM di ramu nanodendriticu prima è dopu ECR.Riproduce cù permessu di a Società Chimica Americana (99).

L'esposizione selettiva di e faccette di cristalli per l'elettrocatalizzatori hè stata dimustrata cum'è un approcciu efficace è direttu per ottene una FE rinfurzata versu i prudutti ECR specifichi è un modu impurtante per a comprensione fundamentale.A sintesi simplice ma scalabile di catalizzatori monocristalli hè sfida.Inspired da u prucessu galvanostatic charging-scharging (GCD) per batterie, u nostru gruppu hà sviluppatu un metudu di ciculu di ioni di metalli (Fig. 6D) per espose selectivamente a facetta di cristalli di un catalyseur Cu (42).Dopu à 100 cicli GCD, un densu Cu nanocube array hè stata furmata nantu à u fogliu di Cu cù facets esposti (100) (Fig. 6, E à G).U catalizzatore 100-ciclu presentava un alcolu C2 + FE di più di 30% è una densità di corrente d'alcool C2 + currispondente di più di 20 mA cm-2.In ogni casu, u 10-ciclu Cu cù un rapportu più bassu di a facet (100) offre solu un alcolu C2 + FE di ~ 10%.A simulazione DFT cunfirmava chì i Cu (100) è stepped (211) facets eranu più favurevuli per C─C coupling over Cu (111), cum'è mostra in Fig. 6H.Un mudellu di catalyseur, film epitaxial Cu cù sfarente facets esposti, hè stata utilizata per determinà i motivi di u situ attivu versu a produzzione d'ossigenate C2 + (Fig. 6I) (97).Siccomu hè statisticamente menu prubabile chì un dimeru CO * sia adiacente à l'atomi H * nantu à una superficia cù menu vicini, i siti di Cu coordinati più bassi puderanu supprime a furmazione di l'idrocarburi è portanu à l'ossigenatu C2 + FE megliu perchè hè più difficiuli di idrogenà. C─C accoppiati ECR intermediate nantu à a so superficia (97).In u studiu di film epitaxial Cu, l'autori cunfirmanu chì l'ECR nantu à a faceta Cu (751) mostrava un rapportu ossigenatu / idrocarburu miglioratu.Stu rinforzamentu puderia esse attribuitu à a geometria di l'atomu di a superficia Cu di sfarente Cu facets è u currispundente più bassu numeru coordinatu mediu (Fig. 6J), induve l'atomu Cu coordinated, rispettivamente, cù dui, quattru è sei vicini vicinu à Cu (751). Cu (100) e Cu (111) faccette.A ricustruzzione di a morfologia in situ hè stata ancu aduprata per migliurà FE ossigenatu C2+.Un catalizzatore Cu cubicu attivu hè statu sviluppatu da Yang è i so cumpagni di travagliu (98), chì hà dimustratu un rendimentu di accoppiamentu C─C miglioratu.In dettaglio, NPs Cu monodisperse (6,7 nm) cù carichi differenti sò stati dipositati nantu à un supportu di carta carbone cum'è un catalyseur per ECR.Ovviamente, l'aumentu FE di C2+ oxygenates hè statu osservatu cù l'aumentu di a carica di Cu NP.Hè statu dimustratu chì i Cu NPs densamente imballati sottu à e cundizioni di carica alta anu sottumessu a trasfurmazioni morfologica in situ durante l'ECR, in quale morfologia cube-like for lastly formed (Fig. 6K).Sta struttura nova formata hè stata trovata più attiva electrocatalytically.L'analisi Tafel suggerì chì a dimerizazione di CO era u passu determinante di a tarifa per a furmazione di u produttu C2, mentre chì quella di n-propanol mostrava una strada discreta in stu sistema cataliticu.U cobre nanodendriticu hè un altru esempiu chì mostra l'impurtanza di u cuntrollu di morfologia per a produzzione di ossigenatu C2 + (99).In breve, u FE tutale di a nanodendrita di cobre ben definita (Fig. 6L) per l'alcolu C2 + era di circa 25% à -1.0 V versus RHE.Un impressiunanti n-propanol FE di 13% puderia esse rializatu à -0,9 V. In cunsiderà l'alta attività di l'atomu Cu, i catalizzatori di rame sempre soffrenu di degradazione strutturale durante l'ECR, soprattuttu à un altu potenziale, chì, à u turnu, porta à u poviru. stabilità.Tuttavia, un tale ramu nanodendriticu hà mostratu una bona stabilità per a produzzione d'alcohol, chì mostra un FE alcolu di ~ 24% in 6 ore.

I difetti di l'elettrocatalizzatori, cum'è i vacanti di l'atomu è i dopants, mostranu a pussibilità di adsorbe l'intermedii ECR micca convenzionali è, cusì, rinfurzà selettivamente a via currispondente versu l'ossigenati (29, 43, 100).Pigliendu * C2H3O cum'è un esempiu, chì hè u putenziale penultimu intermediate per a pruduzzione di etilene è etanol, Sargent è cullaburatori (43) studiatu u rolu di difetti in un core-shell Cu electrocatalyst in detail.Anu teoricamenti dimustratu chì i barrieri di l'energia di reazzione per a furmazione di etilene è etanol eranu simili in a prima fase di accoppiamentu C─C (0.5-V overpotential) (Fig. 7A).Sutta una tale cundizione, l'intruduzioni di vacante di ramu aumentanu ligeramente a barrera di l'energia per a furmazione di etilene, ma ùn hà micca mostratu influenza in a generazione di etanol (Fig. 7B).In ogni casu, cum'è mostra in Fig. 7C, i catalizzatori di ramu cù vacante è dopante di sulfuru sottu à a superficia puderia aumentà significativamente a barrera energetica per a strada di l'etilene, facendu termodinamicamente sfavorevule.Tuttavia, una tale mudificazione hà dimustratu un effettu insignificante nantu à a via di l'etanol.Stu fenominu hè statu più verificatu sperimentalmente.Un core-shell Cu2S-Cu strutturatu cù abbundanti vacanti di superficia (Cu2S-Cu-V; Fig. 7D) hè stata sintetizzata.U rapportu di l'alcoolu à l'etilene hà aumentatu da 0,18 in Cu NPs nudi à 0,34 in Cu2S-Cu vacante è dopu à 1,21 in Cu2S-Cu-V, ancu s'è u FE tutale di i prudutti C2 + per tutti i catalizzatori restava simili (Fig. 7E) .Questa osservazione hà indicatu chì a prumuzione di a selettività di l'alcohol hè stata assuciata cù a suppressione di a produzzione di etilene, in cunfurmità cù u risultatu DFT.Inoltre, l'ingegneria di difetti ghjoca un rolu più impurtante per i catalizzatori di carbone senza metalli, postu chì i materiali di carbone puri sò inattivi per ECR.Dopants cum'è nitrogenu è boru sò stati utilizati per cambià a struttura elettronica di un catalizzatore basatu in carbonu (31, 43, 100).Per esempiu, u film di nanodiamante drogatu di nitrogenu (NDD) nantu à u sustrato di siliciu hè statu devolutu da Quan et al.(29) per a produzzione selectiva di acetate da ECR (Fig. 7F).U potenziale di l'iniziu di l'acetate era bassu quant'è -0.36 V versus RHE cù un catalizzatore NDD, è a FE per l'acetate era più di 75% in un intervallu potenziale da -0.8 à -1.0 V versus RHE.Per capiscenu l'urìgine di una mellura cusì impressiunanti, l'elettrodi NDD / Si cù diversi cuntenuti di nitrogenu o spezie di nitrogenu sò stati preparati è investigati (Fig. 7G).L'autori anu cunclusu chì a prestazione superiore di u catalizzatore NDD / Si per ECR puderia esse attribuita à u so altu potenziale per l'evoluzione di l'idrogenu è u doping N, induve a spezia N-sp3C era assai attiva per a produzzione di acetate.I dati elettrocinetici è u spettru infrarossu in situ anu revelatu chì a via principale per a furmazione di acetate puderia esse CO2 → *CO2− → *(COO)2 → CH3COO−.In più di nitrogenu, u boru hè un altru eteroatomu ben esploratu per regulà a struttura elettronica di nanodiamante.In ogni casu, u nanodiamante drogatu di boru (BDD) hà riduciutu preferenzialmente CO2 à formaldeide o formiatu (101).Inoltre, Quan è i so cumpagni (102) anu dimustratu chì u nanodiamante co-dopatu di boru è nitrogenu (BND) mostrava un effettu sinergicu nantu à ECR, chì puderia superà a limitazione di BDD è poi pruduce selettivamente etanolu.I catalizzatori BND1, BND2 è BND3 cù diversi cuntenuti di nitrogenu è livelli simili di doping di boru sò stati preparati.Cum'è mostra in Fig. 7H, a più alta selettività di l'etanol finu à u 93% puderia esse ottinutu nantu à u catalizzatore BND3 à -1.0 V versus RHE, chì hà u più altu doping di nitrogenu.U calculu teoricu hà illustratu chì u prucessu di accoppiamentu C─C nantu à BND era termodinamicamente favurevule, induve l'atomu di boru prumove a cattura di CO2 è u dopante di nitrogenu facilitava l'idrogenazione di l'intermedi versu l'etanol.Ancu se u nanodiamante dopatu da eteroatomi era capaci di cunvertisce CO2 in ossigenati multicarboni cù alta selettività, a so attività ECR hè assai limitata per via di u prucessu di trasferimentu di carica lento (a densità di corrente hè menu di 2 mA cm-2).U materiale basatu in grafene puderia esse una suluzione potenziale per superà i difetti di i catalizzatori basati in diamanti.Teoricamente, i siti N piridinici di punta in a strata di grafene sò stati presi cum'è siti attivi per l'accoppiamentu C─C (103).Questu hè duvuta à u fattu chì a prisenza di N pyridinic à i siti di u bordu puderia cunvertisce CO2 in CO, chì pò esse più accumpagnatu in C2 + molécula (Fig. 7I).Per esempiu, l'intermediu *C2O2 puderia esse stabilizatu in carbonu dopatu di nitrogenu in quale i dui atomi C sò ligati à l'N piridinicu è u so atomu C adiacente, rispettivamente (103).A prediczione teorica hè stata poi validata cù catalizzatori di grafene quantum dot (NGQD) di nitrogenu (31).Dopu à a pulverizazione di fogli di graphene dopatu di nitrogenu (1 à 3 μm) (Fig. 7J), 1- à 3-nm NGQD sò stati ottenuti in quale a densità di N piridinicu in i siti di bordu hè stata aumentata da trè ordini di grandezza.À -0,78 V versus RHE, u massimu FE per l'ossigenati C2 + puderia ghjunghje sin'à 26%.Inoltre, cum'è mostra in Fig. 7K, a densità di corrente parziale per l'ossigenati C2 + hè vicinu à 40 mA cm-2 à -0.86 V versus RHE, chì hè assai più altu ch'è quellu di u nanodiamante mudificatu.In cunfrontu, i punti quantici di grafene N-free è l'ossidu di grafene drogatu N, chì mostranu un situ di bordu assai più bassu di N piridinicu, cedevanu principalmente H2, CO è formatu.

(A à C) L'energia libera di Gibbs da * C2H3O à l'etilene è l'etanolu per u ramu, u ramu cù vacante, è u ramu cun vacante di ramu è u sulfuru sottu à a superficia.(D) Illustrazione schematica di u catalizzatore Cu2S-Cu-V.(E) FE di l'alcoli C2 + è l'etilene, è ancu u rapportu FE di alcoli à alkeni.(A) à (E) sò riproduci cù u permessu di u Gruppu di l'Edizione Natura (43).(F) Immagine SEM di NDD.(G) Tassi di pruduzzione di acetate è formate nantu à NDD cù diversi cuntenuti di nitrogenu.à %, % atomicu.(F) è (G) sò riproduci cù permessu di a Società Chemica Americana (29).(H) FE per NDD, BDD è BND à -1.0 V. Riproduce cù permessu di John Wiley and Sons (102).(I) Illustrazione schematica di i siti attivi per l'accoppiamentu C─C in NGQD.(I) hè riproduciutu cù permessu di a Società Chimica Americana (103).(J) Immagine TEM di NGQD.Scale bars, 1 nm.(K) Densità di corrente parziale per parechji prudutti chì utilizanu NGQD.(J) è (K) sò riproduci cù u permessu di u Gruppu di Publicazione Natura (31).

Al di là di l'elettrocatalizzatori, u disignu di l'architettura di l'elettrodi è di i reattori catalitici presentanu un'altra strada efficace per rinfurzà a prestazione ECR, in particulare per a produzzione è l'efficienza energetica.Migliuramenti significativi sò stati fatti in u disignu è a fabricazione di novi sistemi di elettroriduzzione per ottene una produzzione C2+ altamente efficiente.In questa sezione, discuteremu in dettaglio u disignu di l'elettrodu / reactore ECR.

E cellule di tippu H sò largamente usate in teste à scala di laboratoriu, cunsiderendu a so assemblea faciule, u funziunamentu faciule è u costu bassu.I celi sò furnuti cù catodi indipendenti è cambre anodi chì sò cunnessi da una membrana di scambiu di ioni (104, 105).U svantaghju primariu di sta cellula di tipu H hè a solu solubilità di CO2 bassu in l'elettroliti aqueous, chì hè solu 0,034 M in cundizioni ambientali, chì porta à una densità di corrente limitata di riduzzione di CO2 di j < 100 mA cm−2 (64).Inoltre, altri svantaghji intrinseci, cumpresa una superficia limitata di l'elettrodu è una grande distanza interelectrode, ùn anu micca riesciutu à risponde à i crescenti esigenze di ricerca (105, 106).Per a generazione di produttu C2 +, e cellule di tipu H di solitu mostranu una selettività bassa sottu alti potenziali, per esempiu, 32% per etilene à -0.98 V versus RHE (107), 13.1% per n-propanol à -0.9 V versus RHE (99), è 20,4% per l'etanol à -0,46 V versus RHE (108), per via di l'evoluzione di l'idrogenu seriamente competitiva.

Per affruntà i prublemi sopra, u reattore di flussu hè statu prupostu (15, 109).In e cellule di flussu, u flussu di CO2 gassoso pò esse direttamente utilizatu cum'è materia prima à u catodu, cusì cunducendu à una diffusione di massa significativamente mejorata è a rata di produzzione (104, 110).A figura 8A mostra l'architettura tipica di una cellula di flussu, induve una membrana di l'elettroliti polimeru (PEM) hà servitu cum'è separatore di l'elettrodu chì si trova trà dui canali di flussu.U catalyseur hè immobilizzatu nantu à un elettrodu di diffusione di gas (GDE) per serve cum'è l'elettrodu di catodu, in quale CO2 gassoso hè alimentatu direttamente.U catholyte, cum'è 0.5 M KHCO3, hè continuamente scorritu in a strata fina trà l'elettrodu di catalizzatore è PEM.Inoltre, u latu di l'anodu hè tipicamente circulatu cù un elettrolitu aqueous per a reazione di evoluzione di l'ossigenu (43, 110).Comparatu cù e cellule di tipu H, queste cellule di flussu basate in membrana mostranu un rendimentu ECR assai superiore.Per esempiu, Sargent è i cullaburatori (43) anu evaluatu a prestazione ECR di u catalyseur Cu2S-Cu-V in a cellula H-type è in a cellula di flussu, cum'è illustrata in Fig. 8 (B à E).Utilizendu e cellule di tipu H, a FE massima per i prudutti C2 + era 41% cù una densità di corrente totale di ~ 30 mA cm-2 sottu -0.95 V versus RHE.Tuttavia, l'FE per i prudutti C2+ hè aumentatu à u 53% cù una densità di corrente totale chì supera facilmente 400 mA cm-2 sottu -0.92 V versus RHE in un sistema di flussu.Un tali miglioramentu significativu di u rendiment utilizendu u reattore di flussu pò esse attribuitu à a diffusione di CO2 rinfurzata è a reazioni laterali soppresse, principalmente originate da l'architettura di tripla interfaccia lucale di gas-elettroliti-catalizzatore.

(A) Un diagramma di l'elettrolizzatore di flussu cù un schema ingranditu di l'interfaccia di l'elettrodu-elettrolitu.(A) hè riproduciutu cù permessu di John Wiley and Sons (30).(B à E) Comparaison des performances de l'ECR à l'aide d'une cellule de type H et d'une cellule à flux.(B) à (E) sò riproduci cù u permessu di u Gruppu di l'Edizione Natura (43).(F à H) Diversi elettroliti applicati in celle di flussu versus a prestazione ECR.(F) à (H) sò riproduci cù permessu di John Wiley and Sons (30).(I à K) Structure è a prestazione di stabilità di l'elettrodu di diffusione di gasu polimeru.(I) à (K) sò riprodotti cù permessu di AAAS (33).

A cellula di gap zero hè una altra classe emergente di elettrolizziatori, chì sguassate ancu i canali di flussu in e cellule di flussu è pressu dui elettrodi inseme cù una membrana di scambiu di ioni trà.Sta cunfigurazione puderia diminuisce significativamente a resistenza di trasferimentu di massa è di trasferimentu di elettroni è cusì migliurà l'efficienza energetica, rendendu più fattibile in applicazioni pratiche (110).I reactanti alimentati à u catodu pò esse sia catholyte saturatu di CO2 sia u flussu di CO2 umidificatu.U vapore d'acqua o l'elettrolitu aqueous hè obligatoriamente alimentatu à l'anodu per a liberazione di protoni per cumpensà a carica per l'spezie di riduzzione di CO2 (111).Gutiérrez-Guerra et al.(109) hà valutatu a prestazione di u catalizzatore hibridu Cu-AC in a cellula gap zero è hà dettu chì l'acetaldeide hè u pruduttu principale cù una alta selettività di 60%.Cum'è un altru vantaghju di stu dispusitivu, hè assai faciule di pressurizà u flussu di reattivu è di rinfurzà significativamente a cuncentrazione di CO2 lucale, risultandu cusì in grande densità di corrente è alti ritmi di reazione (110).In ogni casu, u tassu di scambiu di ioni acceleratu in e cellule gap zero tende à acidificà u catholyte, trasfurmendu a reazione versu l'evoluzione di H2 invece di a riduzione di CO2 (112).Per affruntà stu prublema, Zhou è i cullaburatori (112, 113) anu inseritu una capa di buffer cù un elettrolitu aqueous circulante trà u catodu è a membrana per mantene u pH propiu vicinu à u catodu per a reazione di riduzzione di CO2.Ancu se parechji prudutti C2 + sò stati rilevati nantu à a basa di e cellule gap zero, cumprese acetone, etanol è n-propanol, i FE sò sempre relativamente bassi.A maiò parte di i studii rappurtati sò sempre cuncentrati nantu à i prudutti C1 chì implicanu menu numeri di trasferimenti di protoni è elettroni durante a reazione di riduzzione.Dunque, a fattibilità di a cellula gap zero per i prudutti C2 + hè sempre in discussione (110).

Inoltre, e cellule elettrolitiche microfluidiche (MEC) sò un tipu di cunfigurazione elettrolitica altamente attraente sviluppata da Kenis è i so cumpagni (39, 114).In questu dispusitivu, a membrana hè rimpiazzata da un spaziu magre (<1 mm di spessore) pienu di flussu elettrolitu chì scorri per separà l'anodu è u catodu.E molécule di CO2 puderanu sparghje rapidamente in l'interfaccia elettrolitu-elettroliti vicinu à u catodu, è i dui GDE fissi sò lavati da l'elettroliti chì scorri.Comparatu à e cellule di flussu basate nantu à a membrana, i MEC ùn solu evitanu u costu elevatu di a membrana, ma ancu attenuanu a gestione di l'acqua, chì in particulare si riferisce à l'asciugatura di l'anode è l'inundazioni di cathode quandu operate à densità di corrente elevate per via di a resistenza osmotica di e molécule d'acqua. trasportu di protoni da anodu à catodu attraversu a membrana (115).Quantu sapemu, malgradu i meriti notevuli è i rializazioni, un numeru minimu di studii anu ottenutu i prudutti C2 + in i MEC originali.Questu hè prubabilmente causatu da l'effettu "flottante" chì i protoni furmati in l'anodu sò facilmente drenati da a vicinanza di u catodu o lavati da l'elettroliti chì scorri, invece di participà à a reazione di furmazione C2 + necessaria di più protoni.A speculazione puderia esse cunfirmata da l'esempiu seguente.In u 2016, Kenis è i so cumpagni (31) anu riportatu a riduzzione riescita di i prudutti CO2 à C2 + nantu à un MEC mudificatu è chì cuntene membrana, in quale NGQD puderanu riduce e molécule di CO2 à C2 + cù 55% FE (31% per etilene, 14%). per l'etanol, 6% per l'acetate, è 4% per n-propanol) à un potenziale applicatu di -0.75 V versus RHE in suluzione 1 M KOH.Hè impurtante di nutà chì un ambiente elettrolitu puderia ancu influenzà significativamente a selettività di u produttu.Per esempiu, Jiao è i so cumpagni (30) anu sintetizatu un catalizzatore Cu nanoporoso è poi testatu a so prestazione ECR utilizendu diversi elettroliti (KHCO3, KOH, K2SO4, è KCl) in un MEC basatu in membrana.Anu revelatu chì a riduzzione di CO2 in electrolyte alkaline (KOH) exhibe a più alta selettività C2 + è a densità di corrente, cum'è mostra in Fig. 8 (F è G).A -0.67 V versus RHE in 1 M elettrolitu KOH, l'FE ottenutu per C2 + righjunghji finu à u 62% cù una densità di corrente parziale di 653 mA cm-2, chì hè trà e densità di corrente più altu chì sò mai state riportate in riduzioni elettrochimiche di CO2. versu i prudutti C2+.L'etilene (38,6%), l'etanol (16,6%) è l'n-propanol (4,5%) sò i principali prudutti C2 + cù una piccula quantità di acetate.Anu ancu signalatu chì ci hè una forte correlazione trà u pH di a superficia calculata è FE per i prudutti C2 +: u più altu u pH di a superficia, a più alta densità di corrente è i prudutti C2 + rendenu, cum'è illustratu in Fig. 8H.U calculu teoricu prupostu chì l'ioni OH− vicinu à a superficia puderia facilità assai l'accoppiamentu C─C (31).

In più di a cunfigurazione di l'elettrolizzatore, l'elettrolitu applicatu in diversi elettrolizziatori puderia ancu alterà sustanzialmente i prudutti ECR finali.Comu avemu citatu sopra, e soluzioni KOH altamente alcaline sò sempre aduprate in cellule di flussu cù prestazioni eccellenti piuttostu cà in cellule di tipu H.Hè attribuita à u fattu chì l'elettroliti KOH puderia furnisce una conduttività elettrolitica più alta, diminuite a resistenza ohmica trà u revestimentu elettrolitu sottile nantu à u catalizzatore è l'elettroliti in massa, è ancu diminuite i sovrapotenziali necessarii per a furmazione di C2 + (31).I risultati DFT cunfirmanu ancu chì a presenza di ioni OH- puderia abbassà a barriera energetica per a dimerizazione di CO, aumentandu cusì a furmazione C2 + è suppressione a cumpetizione da a furmazione C1 è H2 (30, 33).In ogni casu, l'alkaline KOH ùn pò micca esse usatu cum'è elettrolitu in cellule H-type.Questu hè chì i flussi di CO2 reagiscenu rapidamente cù suluzione KOH è infine creanu una suluzione di bicarbonate cù pH neutru in cellule H-type (30).In e cellule di flussu, però, una volta chì u CO2 si diffonde à traversu u GDE, e molécule di CO2 seranu cunsumate in a fase di tripla frontiera (CO2-catalyst-electrolyte) per furmà prudutti ridotti immediatamente.Inoltre, a scarsa capacità di buffering di l'elettrolitu hè capaci di aumentà rapidamente u pH intornu à l'elettrodu in cunfigurazioni elettrolitiche stazionarie, mentri l'elettrolitu chì scorri rinfrescerà a superficia è minimizà a fluttuazione di pH in l'elettrolitu (33, 116).

As aforemented chì ECR hè una riazzioni cuntrullata diffusion-cuntrullatu, altu prissioni riazzioni putissi dinù rinfurzà significativamente a cuncintrazzioni di CO2 in massa è interfaccia.I reattori d'alta pressione cumuni sò simili à l'autoclave d'acciaio inossidabile, in quale CO2 d'alta pressione (finu à 60 atm) puderia esse introduttu in a cellula, purtendu à un aumentu notevuli in l'FE è in a densità attuale di C2+ (117). , 118).Sakata è i cullaburatori (119) dimustranu chì a densità di l'attuali puderia esse migliurata à 163 mA cm−2 sottu 30 atm nantu à un elettrodu Cu cù l'etilene cum'è u pruduttu maiò.Parechji catalizatori di metalli (per esempiu, Fe, Co è Ni), senza attività per a produzzione di C2+ à pressione ambientale, puderanu riduce u CO2 à etilene, etanu, propanu è altri prudutti C2+ d'altu ordine à pressioni elevate.Hè statu dimustratu chì a selettività di i prudutti dipende marcatamente da a pressione di CO2 in modu di cambià a dispunibilità di CO2 à a superficia di l'elettrodu (117, 120).I principali prudutti ridotti sò alterati da H2 à l'idrocarburi (C2 + inclusu) è infine à CO / HCOOH cù pressione di CO2 aumentata.In particulare, a pressione di CO2 deve esse attentamente monitorata perchè e pressioni eccessive di CO2 elevate o bassu induceranu a rata di diffusione CO2 superflua o limitata, chì tende à favurizà a produzzione di CO / HCOOH o H2.Solu una quantità cumpatibile di CO intermediu è a densità di corrente generata nantu à a superficia di l'elettrodu puderia facilità a reazione di accoppiamentu C─C è rinfurzà a selettività di u produttu C2+ (119).

Cuncepisce un elettrodu novu cù strutture avanzate hè una altra direzzione impurtante per rinfurzà a produzzione selettiva di C2+.In u stadiu iniziale, l'elettrodi di travagliu sò fogli di metalli non porosi è soffrenu di trasferimentu di massa lenta (26, 105).In cunsiquenza, GDE hè stata pruposta per alleviare a scarsa prestazione cellulare fornendu canali idrofobi chì facilitanu a diffusione di CO2 à e particelle di catalizzatore (121).U GDE cunvinziunali di solitu cumprendi una capa di catalyseur (CL) è una strata di diffusione di gas (GDL), cum'è mostra in a parte bassa di Fig. 8A (30, 33).L'interfaccia gas-liquidu-catalizzatore formata in GDE hè cruciale per migliurà u rendiment di e cellule.U GDL assemblatu cù materiali porosi (tipicamente carta di carbone) puderia furnisce abbundanti percorsi di CO2 è assicurà una rapida diffusione di l'elettroliti.Agisce ancu cum'è un mediu di trasportu di bassa resistenza per i protoni, l'elettroni è i prudutti di riduzzione da u CL in l'elettrolitu (121).Drop casting, airbrushing, e electrodeposition sò i tecnulugii cumuni per a preparazione di GDE (122).I catalizzatori assemblati cù GDE sò stati investigati intensivamente in l'elettroriduzzione di CO2 à i prudutti C2+.In particulare, e cellule di flussu sopra citate cù prestazioni favurevuli sò tutte accumpagnate cù GDE.Già in u 1990, Sammells è i so cumpagni (123) anu infurmatu chì i GDE rivestiti di Cu ottennu un altu FE di 53% per l'etilene cù una alta densità di 667 mA cm-2.A rinfurzà a selettività di l'etilene è l'etanolu hè una sfida maiò chì hè sempre coproduciata nantu à i catalizzatori basati in Cu per via di e so vie di reazione meccanica assai simili.Inoltre, hè impurtante di nutà chì a produtividade elevata è a selettività di l'etilene paragunatu à l'etanol sò stati osservati nantu à GDE basatu in Cu (25, 36).Gewirth è i so cumpagni (36) dimustranu un eccellente FE di 60% per l'etilene è un FE soppresso per l'etanolo di 25% in Cu-Ag GDE elettrodepositatu, quandu a densità di corrente totale righjunghji ~ 300 mA cm-2 à -0.7 V versus RHE.Hè un travagliu raru chì hà ottenutu una selettività cusì alta à una grande densità di corrente.Questa scuperta suggerisce chì un elettrodu incorporatu in GDE furnisce una via promettente per sintonizà e vie di reazione, in quale a selettività di i prudutti ridotti pò esse ottenuta à alta densità di corrente.

A stabilità di i GDE hè ancu un prublema significativu chì deve esse trattatu perchè l'operazione stabile à longu andà hè essenziale per realizà l'applicazione pratica per e cellule di flussu.Malgradu a prestazione eccezziunale di CO2 à C2+ ottenuta cù GDE, a stabilità hè sempre povera per via di a debule adesione meccanica di u catalizzatore, GDL è strati di legante (77, 124).La superficie di carbonio di GDL potrebbe cambiare da idrofoba a idrofila durante la reazione elettrochimica a causa della reazione di ossidazione che si è verificata a sovrapotenziali elevati, che porta all'inondazione di GDL e alle vie di diffusione di CO2 ostruite (33).Per risolve stu prublema, i circadori anu integratu scaffold idrofobu di polytetrafluoroethylene (PTFE) in GDE.Rispetto al Nafion idrofilo, uno strato di PTFE idrofobo garantisce una stabilità superiore a lungo termine (33).Sargent è i cullaburatori (33) assemblanu un catalyseur Cu trà u PTFE separatu è u carbonu NPs, in quale a capa idrofobica di PTFE puderia immobilisà i NP è i strati di grafite, cusì custruendu una interfaccia d'elettrodu stabile (Fig. 8, I è J).In u risultatu, l'FE per a produzzione di etilene hè stata aumentata à 70% in una soluzione 7 M KOH à densità di corrente di 75 à 100 mA cm-2.A vita di stu reattore di flussu hè stata allargata à più di 150 ore cù una perdita insignificante in a selettività di l'etilene, chì hè 300 volte più longu di i GDE tradiziunali, cum'è mostra in Fig. 8K.Una tale struttura di sandwich hè stata dimustrata per esse un eccellente disignu GDE.Per esempiu, Cui è i so cumpagni di travagliu (124) cuncepìu una struttura trilayer cù una strata di l'elettrodu attivu tagliata da dui filmi di polietilene nanoporoso idrofobicu.I strati idrofobichi esterni puderanu rallentà u flussu di l'elettroliti da a suluzione di massa, purtendu à un pH locale stabile è altu intornu à l'elettrodu di travagliu.L'ottimisazione di u spaziu interlayer, chì pò migliurà u trasportu di CO2 è l'adsorption, hè ancu impurtante in un tali disignu (124).Ricertamenti, i nanotubi di carbone sò stati ancu integrati in i GDE per via di a so alta porosità, bona conduttività è idrofobicità, chì puderanu facilità u trasportu di l'elettroni è di massa (77).

Malgradu i prugressi eccitanti nantu à l'ECR, e strategie per a generazione di produtti C2+ à grande scala à bassu costu sò raramente presenti (125).In questa fase, i sfidi è l'opportunità sò cuncurrenti per capiscenu i miccanismi di reazione di ECR è cummercializà sta tecnulugia promettente.

Cum'è una soluzione elegante per chjude u ciclu di carbone è almacenà l'energia rinnuvevule intermittenti, cum'è u ventu è u sole, i prugressi sustinibili sò stati fatti per ottene una cunversione CO2 efficiente in l'ultimi decennii.Mentre a cunniscenza di i prucessi assuciati à ECR hè stata una longa strada da i so primi tempi (126), l'accoppiamentu C─C via ECR versu i prudutti C2+ hè sempre luntanu da esse pronta per l'applicazione pratica.In questa rivista, avemu fattu un sguardu detallatu à e strategie attuali chì ponu prumove a selettività è a rata di produzzione per i prudutti C2 + via ECR, cumprese l'accordu di catalizzatore fine, l'effetti elettroliti, e cundizioni elettrochimichi è u disignu di l'elettrodu / reactore elettrochimicu.

Malgradu tuttu u sforzu misu in ECR, ci sò sempre assai prublemi cù i catalizzatori attuali è u sistema ECR chì deve esse trattatu prima di cummercializà ECR.Prima, cum'è u catalizzatore dominante per realizà l'accoppiamentu C─C efficiente, Cu soffre di gravi prublemi di stabilità, in particulare in l'elettroliti aqueous, è raramente pò sopravvive per 100 ore per via di a so alta mobilità di l'atomu, l'aggregazione di particelle è u deterioramentu di a struttura in cundizioni ECR.Cusì, cumu ottene una stabilità di longu periodu cù un catalizzatore basatu in Cu hè sempre una sfida aperta.L'ancorazione di u catalizzatore basatu in Cu nantu à un supportu specificu cù una forte interazione puderia esse una strategia affidabile per priservà a struttura / morfologia di catalizzatore è cusì furnisce una vita di vita rinfurzata.Inoltre, aduprendu un elettrolitu di membrana polimeru per rimpiazzà a suluzione acquosa durante l'ECR pò probabilmente migliurà a stabilità di u catalizzatore basatu in Cu.Inoltre, da a perspettiva di i catalizzatori, i tecnichi di carattarizazione in situ / in operando è a modellazione teorica duveranu ancu esse aduprati per monitorà è capisce u decadimentu di u rendiment di u catalizzatore, cusì, à u turnu, suppressione a degradazione è l'avvelenamentu di u catalizzatore à i livelli più bassi.Un altru prublema impurtante di i catalizzatori ECR chì deve esse trattatu hè di rende u protocolu di sintesi viable per a produzzione di massa.Per questu scopu, a simplificazione di e prucedure sintetiche utilizendu materie prime largamente dispunibili hè preferita.

Siconda, u C2+ generatu ossigenatu da ECR sò generalmente mischiati cù soluti (per esempiu, KHCO3 è KOH) in l'elettroliti per i reattori tradiziunali H- o di cellule di flussu, chì, però, necessitanu prucessi extra di separazione è cuncentrazione per ricuperà solu solu solu di carburante liquidu in applicazioni pratiche.À u listessu tempu, l'idrocarburi C2+ evoluti sò ancu mischiati cù H2 è CO2 residuale.Cusì, un prucessu di separazione caru hè indispensabile per a tecnulugia ECR attuale, chì impedisce ancu l'ECR da l'applicazione pratica.Per quessa, cumu pruduce direttamente è continuamente suluzioni di carburanti liquidi puri è idrocarburi di gas puri, in particulare cun concentrazioni elevate di produttu, hè assai desideratu per a implementazione pratica di ECR.Avemu dunque predice l'impurtanza crescente di a generazione diretta di prudutti puri via ECR in un futuru vicinu, chì pò piglià a tecnulugia ECR assai più vicinu à u mercatu (127).

Terzu, mentri a furmazione di ligami C─O è C─H, cum'è l'etanol, l'acidu acìticu è l'etilene, in a tecnulugia ECR hè stata assai studiata, l'esplorazione di altri tipi di prudutti hè ancu impurtante per a tecnulugia ECR è mostra interessu ecunomicu.Per esempiu, pocu tempu, Han è i cullaburatori (128) anu informatu a produzzione di 2-bromoethnol da ECR.A furmazione in situ di u ligame C─Br trasforma u pruduttu da l'etanol à u 2-bromoethnol, chì hè un bloccu impurtante in a sintesi chimica è farmaceutica è mostra un valore aghjuntu più altu.Cusì, oltre l'attuale C2 + prudutti bè studiatu, credemu chì l'obiettivu di altri prudutti raramenti esplorati cum'è l'acidu oxalic (129) è a sintesi di molécule C2 + più cumplessi, cum'è i cumposti ciclichi, hè una altra via promettente per a futura ricerca ECR.

Infine, ma micca menu, i disinni di l'elettrodi è di i reattori novi, cum'è GDE impermeabili, cellule di flussu di liquidu, è cellula PEM duveranu esse largamente aduttati per aumentà a rata di produzzione ECR à u livellu cummerciale (> 200 mA cm-2).Tuttavia, a grande discrepanza in l'attività elettrocatalitica hè sempre osservata quandu l'elettrocatalizzatori sò applicati à a prova di cellula piena.Dunque, studii più sistematichi duveranu esse realizati per minimizzà a distanza trà i studii di mezza cellula è l'applicazione di u dispositivu full-cell per portà l'ECR da a prova di laboratori à l'usu praticu.

In riassuntu, a riduzzione elettrochimica di CO2 offre una bona opportunità per noi di trattà cù u prublema ambientale da i gasi di serra emessi da l'attività umana.Mostra ancu a pussibilità di ottene carburanti puliti è chimichi cù energia rinnuvevule.Mentre chì parechje sfide restanu per a tecnulugia ECR in u stadiu attuale, in particulare per u prucessu di accoppiamentu C─C, si crede chì cù a ricerca è u sviluppu cuntinui nantu à l'ottimisazione di u catalizzatore è a perfezione di e cellule, a prospettiva di una elettrolisi di CO2 in u mondu reale per carburante pulitu. è i chimichi seranu realizati in un futuru vicinu.

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