Strategyen yn katalysatoren en elektrolyzerûntwerp foar elektrogemyske CO2-reduksje nei C2+-produkten

Yn it ljocht fan miljeusoarch en enerzjytransysje presintearret elektrogemyske CO2-reduksje (ECR) nei wearde-tafoege multicarbon (C2+) brânstoffen en gemikaliën, mei help fan duorsume elektrisiteit, in elegante oplossing op lange termyn om de koalstofsyklus te sluten mei ek tafoege ekonomyske foardielen.Elektrokatalytyske C─C-keppeling yn wetterige elektrolyten is lykwols noch in iepen útdaging fanwegen lege selektiviteit, aktiviteit en stabiliteit.Untwerp fan katalysatoren en reaktors hâldt de kaai foar it oanpakken fan dy útdagings.Wy gearfetsje resinte foarútgong yn hoe't jo effisjinte C─C-keppeling kinne berikke fia ECR, mei de klam op strategyen yn elektrokatalysatoaren en elektrokatalytyske elektroden / reaktorûntwerp, en har oerienkommende meganismen.Dêrneist wurde hjoeddeistige knelpunten en takomstige kânsen foar C2+ produktgeneraasje besprutsen.Wy binne fan doel in detaillearre resinsje te jaan fan 'e state-of-the-art C─C-keppelingsstrategyen oan' e mienskip foar fierdere ûntwikkeling en ynspiraasje yn sawol fûnemintele begryp as technologyske tapassingen.

De oerstallige frijlitting fan koalstofdiokside (CO2) yn 'e sfear hat serieuze miljeu-gefolgen útlokt en presintearret ek in urgent en potinsjeel ûnomkearbere bedriging foar minsklike maatskippijen (1, 2).As de atmosfearyske CO2-konsintraasje skerp tanommen fan 270 ppm (dielen per miljoen) yn 'e iere 1800s nei 401,3 ppm yn july 2015, is in wrâldwide konsensus oer it recycling fan' e koalstoffoetôfdruk útstjoerd troch minsklike aktiviteiten berikt (3, 4).Om de nauwe lus foar koalstoffoetôfdruk te realisearjen, is ien potinsjele oanpak om de ôfhinklikens fan hjoeddeistige enerzjy- en gemyske yndustry fuort te setten fan fossile brânstoffen nei duorsume boarnen lykas sinne en wyn (5-8).De fraksje fan enerzjy út dy duorsume boarnen is lykwols allinich beheind ta 30% fanwegen har intermitterende aard, útsein as oanpak foar grutskalige enerzjyopslach beskikber komt (9).As alternatyf is it fangen fan CO2 út puntboarnen lykas enerzjysintrales, folge troch konverzje yn gemyske feedstocks en brânstoffen, praktysk leefber (9-12).Elektrokatalytyske CO2-reduksje (ECR) mei gebrûk fan duorsume elektrisiteit fertsjintwurdiget in elegante oplossing op lange termyn fanwegen de mylde operaasjebetingsten dy't nedich binne foar de konversaasjes, wêryn produkten mei tafoege wearde selektyf kinne wurde produsearre (13).As skematysk yllustrearre yn Fig.. 1, yn dit proses, de electrochemical electrolyzer konvertearret CO2 en wetter yn gemikaliën en brânstoffen oandreaun troch duorsume elektrisiteit.De resultearjende brânstof is by steat fan lange-termyn opslach en kin ek wurde ferdield of konsumearre, it jaan fan CO2 as de wichtichste ôffal, dat sil wurde fongen en weromfierd nei de reaktor te sluten de lus.Boppedat kinne de resultearjende gemyske feedstocks fan lytse molekulen [bgl. koalmonokside (CO) en formate] fan ECR brûkt wurde as grûnstoffen foar komplisearre gemyske synteze.

Brânstoffen en gemikaliën koenen wurde berikt út ECR mei sletten koalstofsyklus oandreaun troch duorsume enerzjyboarnen lykas sinne, wyn en hydro.Seltechnyk en katalysatortechnyk spylje wichtige rollen om de selektiviteit, aktiviteit en effisjinsje te befoarderjen foar CO2-konverzje yn C2+-produkten mei tafoege wearde mei hege enerzjytichtens.

CO2 is lykwols in frij stabile lineêre molekule mei in sterke C═O-bân (750 kJ mol−1) (14), wêrtroch it lestich is foar elektrogemyske konverzje.Sa fereasket it in hege aktivearringsbarriêre, dy't op syn beurt liedt ta signifikante overpotentials (15).Fierder omfettet ECR yn in wetterige elektrolyt multy-elektron / proton oerdracht prosessen tegearre mei in oantal ferskillende mooglike reaksje intermediates en produkten (16-18), wêrtroch't it tige kompleks.Tabel 1 vat de heale elektrogemyske thermodynamyske reaksjes fan 'e wichtichste ECR-produkten gear, ynklusyf CO, metaan (CH4), methanol (CH3OH), mieresûr (HCOOH), etyleen (C2H4), ethanol (CH3CH2OH), ensfh. oerienkommende standert redox potinsjes (19).Yn 't algemien, tidens in ECR-proses, ûndergean CO2-molekulen earst adsorpsje en ynteraksje mei atomen op it katalysator-oerflak om *CO2- te foarmjen, folge troch ferskate stapsgeare oerdracht fan protoanen en / of elektroanen nei ferskate einprodukten.Bygelyks, CH4 wurdt leaud te foarmjen fia de folgjende paden: CO2 → *COOH → *CO → *CHO → *CH2O → *CH3O → CH4 + *O → CH4 + *OH → CH4 + H2O (20).

Figure 2A gearfettet de Faradaic effisjinsje (FE) ûnder ferskillende produksje tariven (aktuele tichtens) foar de rapportearre ECR electrocatalysts, dy't fertsjintwurdiget de produkt selektiviteit fan de reaksje (21-43).Opmerklik, wylst de state-of-the-art elektrokatalysators CO2 kinne transformearje yn C1-produkten (CO of formate) mei mear dan 95% FE ûnder hege produksjesnelheid (> 20 mA cm-2 foar H-type sel en> 100 mA cm- 2 foar streamsel) (9, 21, 22, 25, 28, 44, 45), de tige selektive (> 90%) en effisjinte produksje fan mear beskikbere multicarbon (C2+) gemikaliën is oant no ta net realisearre.Dit komt troch it feit dat keppeljen oan C2+ produkten oankomst en adsorpsje fan ferskate CO2-molekulen oan it oerflak, stapsgeze transformaasje, en romtlike posisjonearring fereasket (13).Om spesifyk te wêzen, lykas werjûn yn Fig.Yn 't algemien diele C2H6 en CH3COO- itselde *CH2-tuskenmiddel, dat wurdt generearre út de proton-keppele elektroanenoerdrachtstappen fan *CO.Fierdere protonaasje fan *CH2 jout *CH3 intermediate, wat liedt ta de formaasje fan C2H6 fia *CH3 dimerisaasje.Oars as C2H6-generaasje, wurdt CH3COO− foarme troch CO-ynfoegje yn *CH2.De *CO-dimerisaasje is de taryf-bepalende stap foar C2H4, CH3CH2OH, en n-propanol (n-C3H7OH) formaasje.Nei in rige fan elektroanen oerdracht en protonaasje stappen foarmet de *CO─CO dimeer de *CH2CHO intermediate, dat tsjinnet as de selektiviteit-bepalende stap foar C2H4 en C2H5OH.Derneist waard fûn dat it ferminderjen fan *CH2CHO nei C2H4 legere enerzjybarriêre hat as it transformearjen fan *CH3CHO nei C2H5OH (46), wat de hegere FE foar C2H4 oer C2H5OH kin ferklearje op de measte koperkatalysatoren.Fierder kinne stabilisearre C2-tuskenprodukten oerjaan nei n-C3H7OH fia CO-ynfoegje.De komplekse en ûnkontrolearbere reaksjepaden tidens C2+ gemyske formaasje binne benammen te tankjen oan folle mear permutaasjes nei de protonaasjeplakken, tegearre mei de mooglike belutsenens fan net-elektrochemyske stap (19, 47).As sadanich is it ûntwerp fan tige selektive electrocatalysts in betingst foar spesifike C2 + produkt formaasje by hege opbringst.Yn dizze resinsje wolle wy de resinte foarútgong markearje op strategyen yn elektrokatalytyske ûntwerp foar selektive C2 + produktgeneraasje fia ECR.Wy jouwe ek in gearfetting fan 'e begripen fan relatearre meganismen.Elektrode- en reaktorûntwerp sil ek beklamme wurde om sjen te litten hoe't jo effisjinte, stabile en grutskalige operaasje fan ECR kinne berikke.Fierder sille wy de oerbleaune útdagings en takomstige kânsen beprate foar elektrogemyske konverzje fan CO2 yn wearde-tafoege C2+ gemikaliën.

(A) De FE ûnder ferskillende produksje tariven (aktuele tichtens) foar de rapportearre ECR electrocatalysts (21-43, 130).(B) Meast mooglike C2+ paden tidens ECR.Reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (47).

Elektrokatalytyske transformaasje fan CO2 yn gemyske brânstoffen en feedstocks is in potinsjele technology om in koalstofneutrale enerzjysyklus te berikken (11).De FE fan C2+-produkten is lykwols noch fier fan praktyske tapassing, wêr't state-of-the-art katalysatoren produksje fan C2-produkten tastean mei sawat 60% FE (13, 33), wylst de C3-produksje beheind is ta minder dan 10% FE (48, 49).Reduktive koppeling fan CO2 nei C2+ produkten fereasket heterogene katalysatoren mei tige koördinearre morfologyske en elektroanyske eigenskippen (50, 51).It katalytyske oerflak moat de skaalferhâldingen tusken de tuskenprodukten brekke (47, 52, 53).Boppedat, om C─C-bânfoarming te berikken, moatte de opnomde reaksje-tuskenprodukten op it katalysator-oerflak yn 'e buert fan inoar wêze.Fierder moat it paad fan it yn earste ynstânsje adsorbearre tuskenmiddel nei in spesifyk C2+ produkt goed kontrolearre wurde fanwegen de meardere proton-assistearre elektroanenoerdrachtstappen.Sjoen de hege kompleksiteit fan CO2-reduksje nei C2+-produkten, moatte elektrokatalysators soarchfâldich oanpast wurde om de selektiviteit te ferheegjen.Neffens de tuskenlizzende soarten en gemyske komposysjes kategorisearje wy C2+ produkten yn multicarbon koalwetterstoffen en oxygenaten (4, 54).Om heul effisjinte elektrokatalysatoren te benaderjen foar spesifike C2+ molekuleproduksje, binne ferskate katalysatorûntwerpstrategyen, lykas heteroatom-doping, kristalfacetregeling, alloy / dealloying, oksidaasjestatus ôfstimming, en oerflakligandkontrôle, oantoand (35, 41, 55-61) .Optimaal ûntwerp moat de earder neamde effekten rasjoneel beskôgje en de foardielen maksimalisearje.Oars, begripe hokker aktive-side motiven liede ta sa'n unyk katalytyske gedrach kin fierder in ljocht skine op krekte katalysator design foar C─C coupling.Hjirtroch sil hoe't ECR-katalysator ûntwerpe kin foar spesifike produkten (multicarbonkoalwetterstoffen en oxygenaten) en it relatearre meganisme yn dit diel wurde besprutsen.

C2+ koalwetterstoffen, lykas C2H4, binne nexusgemikaliën foar in ferskaat oan gemyske yndustry, lykas polyetyleenproduksje (62, 63).Derneist kin it direkt brûkt wurde as brânstof foar welding as in mingde komponint yn ierdgas (12).Hydrogenaasje fan CO (Fischer-Tropsch-synthese) en CO2 is brûkt foar it produsearjen fan C2+-koalwetterstoffen foar in lange tiid yn yndustriële skaal, mar útdage troch hege enerzjyferbrûk en miljeu-ynfloed (64).Yn sterk tsjinstelling jout elektrogemyske CO2-reduksje mei help fan duorsume enerzjy in skjinnere en duorsumer rûte.Grutte ynspanning is dien om effisjinte elektrokatalysatoren te ûntwikkeljen foar C2+ koalwetterstoffen (32, 33, 65–70).

Bimetallyske electrocatalysts binne wiidweidich ûndersocht om de skaalferhâlding te brekken tidens elektrogemyske CO2-konverzje, dy't de kaai tuskenlizzende stabilisearje kinne en it oerpotinsjeel ferleegje en, op syn beurt, de selektiviteit ferheegje (71-74).Wylst in searje legeringsmaterialen ynklusyf Au-Cu, Ag-Cu, Au-Pd, en Cu-Pt binne oantoand foar hege effisjinsje fan C1-produksje troch stabilisearjen fan it krityske intermediate (73, 75), liket it alloy-effekt nei C2+-koalwetterstoffoarming komplekser te wêzen (76).Bygelyks, yn it Cu-Ag bimetallysk systeem kin de produktferdieling maklik kontrolearre wurde troch it ôfstimmen fan it oerflak atomêre ferhâlding fan Ag en Cu (77).It oerflak Cu-rike stekproef wurdt de foarkar foar koalwetterstof produksje, wylst de produkten fan it oerflak Ag-rike ien wurde dominearre troch CO, markearje it belang fan atoomferhâlding foar alloyed ECR electrocatalysts.It geometryske effekt feroarsake troch de lokale atomêre arranzjemint kin de binende sterkte fan 'e tuskenprodukten signifikant beynfloedzje.Gewirth en meiwurkers (36) lieten sjen dat Cu-Ag alloys út additive-kontrolearre electrodeposition eksposearre ~ 60% FE foar C2H4 yn in alkaline flow electrolyzer (Fig. 3, A en B).Yn dit gefal kin optimalisearre C2H4-selektiviteit wurde berikt troch morfology en Ag-laden-tuning.De Ag-siden waarden leaud de rol te spyljen fan in promotor foar CO-formaasje tidens ECR.Dan kin de optimale beskikberens fan it CO-tuskenmiddel de C─C-keppeling helpe yn 'e oanbuorjende Cu.Neist, Ag kin ek befoarderje de foarming fan Cu2O tidens de Cu-Ag katalysator synteze (Fig. 3C), resultearret yn ferbettere C2H4 produksje effisjinsje.Dizze synergy iepenet nije mooglikheden foar it ûntwikkeljen fan C─C-koppelingskatalysatoren.Fierder koe it mingpatroan fan ferskate metalen yn it legeringssysteem ek de ferdieling fan ECR-produkten bepale.Mei help fan Pd-Cu alloy as foarbyld (Fig. 3D), Kenis en meiwurkers (71) demonstrearren dat in faze-skieden Pd-Cu katalysator kin biede de heechste selektiviteit (~ 50%) foar C2H4 fergelike mei syn oardere en ûnregelmjittich tsjinhingers.Neffens de d-band teory, typysk, oergong metaal mei in legere d-band sintrum toant swakker bining fan de in situ oanmakke tuskentiids op 'e metalen oerflakken (78).Wylst faze-skieden Pd-Cu-legering ferlykbere katalytyske selektiviteit en aktiviteit foar CO mei Cu-nanopartikels (NP's) eksposearre, biedt it folslein oare binende sterkte foar tuskenprodukten troch Pd-tuning.Lykas werjûn yn figuer 3E, toande fase-skieden Cu-Pd alloy de leechste lizzende d-band sintrum, wylst dat fan Cu NP is de heechste.It suggerearret dat de faze-skieden Cu-Pd alloy hie de leechste binende sterkte foar de CO tuskentiid.Dizze observaasje ymplisearret dat it geometryske en struktuereffekt in gruttere rol spylje kin as it elektroanyske effekt foar it ferbetterjen fan de koalwetterselektiviteit yn 'e faze-skieden Cu-Pd-legeringskoffer.Oant no ta toant allinich suver koper as koper-basearre alloy superieure selektiviteit en aktiviteit foar elektrogemyske reduksje fan CO2 nei C2+ koalwetterstoffen.Sa is it heul nedich om in nije elektrokatalysator te ûntwikkeljen foar C2+-koalwetterproduksje fan ECR.Ynspirearre troch CO2-hydrogenaasje, hat in foarriedige stúdzje oantoand dat Ni-Ga-legering mei ferskate fazen koe wurde brûkt foar C2H4-generaasje (79).It liet sjen dat Ni5Ga3-film CO2 koe ferminderje nei C2H4 en etaan (C2H6).Hoewol de FE nei C2+ koalwetterstoffen minder is dan 5%, kin it nije rigels iepenje foar screening fan elektrokatalysator nei C─C-keppeling basearre op it alloy-effekt.

(A oant C) Cu-Ag bimetallyske katalysatoren fabrisearre troch additive-kontrolearre electrodeposition: (A) skennen elektronenmikroskopy (SEM) fan Cu tried, Cu-Ag poly, en Cu-Ag tried en (B) oerienkommende C2H4 FE.(C) EXAFS die bliken dat Cu-Ag tried wie homogeen mingd en Cu (I) okside waard presintearre.(A) oant (C) wurde reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (36).(D en E) Cu-Pd-katalysatoren mei ferskate mingpatroanen: (D) Yllustraasje, ôfbyldings foar transmissieelektronenmikroskopy (TEM), en enerzjyferspriedende spektroskopy-elemintkaarten fan oardere, ûnregelmjittige en faze-skieden Cu-Pd-legeringen en (E) ) oerflak valence band photoemission spektra en d-band sintrum (de fertikale line) fan Cu-Pd alloys relatyf oan Fermi nivo.(D) en (E) wurde reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (71).au, willekeurige ienheden.

Neist alloy effekt, manipulearjen fan de oksidaasje steaten is in oar wichtich prinsipe te tune de prestaasjes fan electrocatalysts, dat kin beynfloedzje de lokale elektroanyske struktuer fan it materiaal.It earste foarbyld foar it ôfstimmen fan oksidaasjestatus fan katalysator is it brûken fan okside-ôflaat materialen.De oerbliuwende soerstofsoarten op it oerflak of ûndergrûn fan katalysator nei in situ-reduksje kinne de oksidaasjetastân fan it metalen sintrum regelje.Bygelyks, plasma-oksidearre Cu toande mear as 60% selektiviteit nei C2H4, dat waard taskreaun oan de reduksje-resistinte Cu + (37).Om te befêstigjen dat Cu + is de kaai parameter foar hege ethylene selektiviteit, wy útfierd kontrôle eksperiminten mei help fan ferskillende plasma (Fig. 4A).In situ hurde röntgenabsorpsjonsspektroskopie liet fierder sjen dat de oerbliuwende oksides yn 'e (ûnder)oerflaklaach stabyl binne tsjin reduksjebetingsten, mei in signifikante hoemannichte Cu+ soarten oerbleaun nei 1 oere reduksje by relatyf hege potensjes fan -1,2 V fersus omkearber wetterstofelektrode (RHE).Fierder ferifiearre electroredeposition fan koper út in sol-gel koper oxychloride wer dat stabilisearre oerflak Cu + soarten koe ferbetterje de selektiviteit fan C2H4 (61).De oksidaasjetastân fan in koperkatalysator ûnder ferskate tapaste potensjes waard folge mei tiid-oploste in situ sêfte röntgenabsorpsjonsspektroskopy.De earste oergongstap fan Cu2+ nei Cu+ is tige fluch;lykwols, de fierdere electrochemical reduksje fan Cu + soarten nei Cu0 is folle stadiger.Om 23% fan Cu + soarten bliuwe sels nei 1-oere konstante reduksje ûnder -1,2 V fersus RHE (Fig. 4B).Mechanistyske stúdzjes die bliken dat de ynterface tusken Cu+ en Cu0 liedt ta elektrostatyske attraksje tusken tuskenprodukten, om't it C-atoom fan *CO@Cu+ posityf opladen is, wylst dat fan *CO@Cu0 negatyf opladen is (80), wat op syn beurt de C─C-bânfoarming en produsearret dêrmei C2+ koalwetterstoffen.Njonken okside-ôflaat materialen waard kopernitride (Cu3N) ek brûkt om (sub)oerflakte Cu+ soarten te berikken om de dimerisaasje-enerzjybarriêre fan *CO (81) te ferminderjen.Dêrneist, yn ferliking mei okside-ôflaat Cu, Cu3N-ôflaat Cu + soarten binne noch stabiler (figuer 4C).As gefolch, de nitride-ôflaat koper katalysator eksposearret in FE fan 39 ± 2% foar C2H4, de suvere Cu (~ 23%) en okside-ôflaat Cu (~ 28%).Analooch oan it boppeneamde Cu + / Cu katalytyske systeem, boron is brûkt as in heteroatom dopant te yntrodusearjen en stabilisearjen Cuδ + (41).De gemiddelde oksidaasjetastân fan koper kin regele wurde fan +0,25 oant +0,78 troch it feroarjen fan de konsintraasje fan boordopant.Projected tichtens fan steaten die bliken dat de elektroanen oerdroegen fan koper nei boron, dy't liedt ta in dopant-induzearre posityf opladen koper sites.It boron-dopte koper toande in ferhege formaasje-enerzjy fan *CHO-tusken en ûnderdrukte sadwaande de reaksjepaad nei C1-produkten.Dêrneist kin it fergrutsjen fan de selektiviteit nei multicarbon koalwetterstoffen troch it ferminderjen fan * CO dimerization reaksje enerzjy (figuer 4D).Troch it optimalisearjen fan de gemiddelde oerflak oksidaasje steat fan koper, in hege C2 FE fan ~ 80% mei ~ 53% C2H4 koe wurde berikt ûnder in gemiddelde koper oksidaasje steat fan +0,35 (Fig. 4E).Oant no ta binne de aktive siden op koper identifisearre as Cu0, Cuδ+, en / of har ynterface foar ECR yn ferskate stúdzjes (39, 41, 42, 81, 82).Wat de aktive side is, wurdt lykwols noch besprutsen.Wylst de heteroatom-doping-induzearre Cuδ + katalysatoren binne oantoand tige aktyf te wêzen foar ECR nei C2 + produkten, moat it synergistyske effekt fan 'e tagelyk generearre defekten en ynterfaces ek wurde beskôge.Dêrtroch moatte systematysk yn operando-karakterisaasjes ûntwikkele wurde om it aktive sintrum op koperoerflak te identifisearjen en it potinsjeel yn situ-transformaasje fan 'e aktive siden ûnder reaksjebetingsten te kontrolearjen.Derneist is de stabiliteit fan it posityf opladen koper in oare soarch ûnder elektrogemyske reduksjebetingsten.Hoe kinne jo katalysatoren synthesisearje mei stabile Cuδ+-sites bliuwt in útdaging.

(A) Gearfetting fan 'e C2H4-selektiviteit fan ferskate plasma-aktivearre koperkatalysatoren.Reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (37).Skaalbalken, 500 nm.(B) Ferhâlding fan Cu oksidaasje steaten relatyf oan de reaksje tiid by -1.2 V fersus RHE yn electroredeposited koper.Reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (61).(C) Ferhâlding fan Cu + soarten mei in funksje fan reaksje tiid op -0.95 V tsjin RHE yn Cu-on-Cu3N of Cu-on-Cu2O.Reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (81).(D) Boron-doping koe de gemiddelde adsorpsje-enerzjy fan CO yn it koperoerflak feroarje en de CO─CO-dimerisaasje-enerzjy ferleegje.1[B], 2[B], 3[B], 4[B], en 8[B] ferwize nei de konsintraasje fan ûndergrûnboordoping yn 'e koperkatalysatoren, dy't 1/16, 1/8, 3/ wiene. 16, 1/4, en 1/2, respektivelik.(E) De relaasje tusken de oksidaasjetastân en FE fan C2 of C1 produkten yn boron-doped koper katalysatoren.(D) en (E) wurde reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (41).(F) SEM-ôfbyldings fan koperfolies mei ferskate dikten fan Cu2O-films foar (boppe) en nei (ûnder) ECR.Reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (83).

Njonken de elektroanyske struktuer kinne okside-ôflaat materialen ek liede ta morfology as struktuerevolúsje tidens it in situ-reduksjeproses.Fanút it perspektyf fan morfology as struktuer is de ferbettere elektrogemyske prestaasjes fan okside-ôflaat elektrokatalysatoren taskreaun oan 'e foarming fan aktive nôtgrinzen, rânen en stappen (83-85).Yeo en meiwurkers (83) rapporteare de selektive C─C-keppeling op elektrodeponearre Cu2O-films mei ferskate dikten (Fig. 4F).In situ Raman-spektroskopy die bliken dat it oerflak fan 'e Cu2O-films waard fermindere ta stabile metallyske Cu0 tidens ECR (83).As resultaat is metallysk Cu0 befêstige as it katalytyske aktive sintrum ynstee fan Cu + soarten as de Cu + / Cu0 ynterface.Yn it proses fan it ferminderjen fan Cu2O nei metallysk Cu0, sil it katalysatorflak wierskynlik in situ stappen, rânen en terrassen foarmje.Dêrby waard opmurken dat de foarme stappen en rânen mear aktyf binne as de terrassen, ûntstean út harren sterkere bining mei *CO, dat kin fierder hydrogenate *CO nei *CHO of *CH2O.Neist, râne Cu-atomen binne in promotor om * CHO en * CH2O formaasje te stimulearjen.Foarige wurk suggerearre dat *CHO en *CH2O tuskenprodukten geunsticher binne foar C─C-keppeling dan *CO yn kinetika (86).Troch de oerflakmorfology te regeljen, kinne de chemisorpsjonele enerzjy fan 'e *CHO en *CH2O intermediates wurde optimalisearre.Yn dizze stúdzje fûnen de auteurs dat de FE fan C2H4 fermindere fan 40 nei 22% doe't se de dikte fan Cu2O tinne film fan 0.9 nei 8.8 μm fergrutte.Dit komt troch de konsintraasje fan lege koördinearre Cu dy't tanommen mei de tanimming fan Cu2O dikte.Dizze ûnderkoördinearre atomen kinne sterk bine mei H en hawwe dus mear foarkar foar wetterstofevolúsje dan C─C-keppeling.Dit wurk hat oantoand dat de okside-ôflaat koperkatalysator de C2H4-selektiviteit signifikant kin ferbetterje fia rekonstruksje fan oerflakmorfology ynstee fan yntrodusearje fan opladen Cuδ+ soarten.Mei help fan de okside-ôflaat katalysatoren, etaan (C2H6) is ek selektyf produsearre mei help fan palladium (II) chloride (PdCl2) additief yn elektrolyt (34).It liet sjen dat de adsorbearre PdClx op it oerflak fan Cu2O-ôflaat Cu in fitale rol spile foar C2H6-evolúsje.Spesifyk waard CO2 earst fermindere nei C2H4 op 'e Cu2O-ôflaat aktive Cu-siden, en dan soe de foarme C2H4 wurde hydrogenearre mei help fan adsorbearre PdClx om C2H6 te produsearjen.De FE fan C2H6 ferhege fan <1 nei 30.1% mei help fan PdCl2.Dit wurk suggerearret dat de kombinaasje fan 'e goed definieare ECR-katalysator en elektrolyt-additive kin nije kânsen iepenje foar spesifike C2 + produktgeneraasje.

Morfology en / of struktuerregeling fertsjintwurdiget in oare alternative strategy om katalytyske selektiviteit en aktiviteit te modulearjen.It kontrolearjen fan de grutte, foarm en bleatstelde fasetten fan katalysator is breed oantoand foar ferbettering fan ECR-prestaasjes (58, 87, 88).Bygelyks, de Cu (100) facet is yntrinsysk de foarkar foar C2H4 generaasje, wylst it dominearre produkt út de Cu (111) katalysator is metaan (CH4) (87).Yn in stúdzje fan Cu nanokristallen mei ferskate foarmen en maten, Buonsanti en meiwurkers (58) iepenbiere in nonmonotone grutte ôfhinklikens fan 'e C2H4-selektiviteit yn kubusfoarmige koperen nanokristallen (Fig. 5A).Yntrinsysk eksposearre kubike Cu-nanokristallen hegere C2H4-aktiviteit en selektiviteit dan sfearyske Cu-nanokristallen fanwegen it oerwicht fan it (100) faset.De lytsere kristalgrutte fan kubike Cu koe hegere aktiviteit biede fanwegen de ferhege konsintraasje fan leechkoördinearre oerflakplakken, lykas hoeken, stappen en kinks.De sterkere chemisorption fan leech-koördinearre plakken waard lykwols begelaat troch hegere H2- en CO-selektiviteit, wat resultearre yn legere totale koalwetterstof FE.Oan 'e oare kant, de ferhâlding fan râne sites oan fleantúch sites ôfnommen mei de tanimming fan dieltsje grutte, dat ek beynfloedet de prestaasjes fan C2H4 produksje.De auteurs lieten sjen dat middelgrutte koperen nanokubes mei in 44-nm-rânlingte de heechste C2H4-selektiviteit sjen litte troch it optimalisearre lykwicht tusken partikelgrutte en de tichtens fan râneplakken.Fierder kin morfology ek ynfloed hawwe op de lokale pH en massatransport tidens ECR.It is oantoand dat de hege lokale pH yn 'e buert fan' e katalysator oerflak, dy't wurdt feroarsake troch de in situ generearre OH-, ûnderdrukt de proton-belutsen reaksje paad.As gefolch, C2+ koalwetterstof formaasje troch * CO dimerization koe wurde ferbettere, en CH4 foarme troch * COH intermediate kin wurde ynhibeare.Koper nanowire-arrays (Fig. 5B) binne oantoand om ferhege lokale pH te berikken (68).As in gewoan brûkte elektrolyt sil CO2 verzadigde kaliumbikarbonat (KHCO3) oplossing de lokale OH− (HCO3− + OH− = CO32− + H2O) fluch neutralisearje en de lokale pH ferminderje.Mei in langwerpige mikrostruktuer kin de diffúsje fan HCO3- yn 'e Cu nanowire-arrays op ien of oare manier ûndergrave wurde, sadat it neutralisaasje-effekt foar lokale OH- yn guon graad sil wurde ûnderdrukt.Op basis fan in ferlykber prinsipe, koperen meshes mei krekt kontrolearre mesopores (Fig. 5C) demonstrearre ferbettere FE foar C2H4 of C2H6 produksje (32).It die bliken dat de lokale pH yn it elektrodes oerflak koe wurde ferhege troch smel de poar breedte, resultearret yn fermindere C1 produkt FE en ferbettere C2 produkt FE.Neist, troch it fergrutsjen fan de poaredjipte, koe it produkt foar grutte reduksje wurde ôfstimd fan C2H4 nei C2H6.De FE fan C2H6 wie sa heech as 46%.Sûnt de gemikaliën binne beheind yn 'e poaren tidens ECR, is langere retinsjetiid fan' e wichtige tuskenprodukten feroarsake troch de djippere poaren ferklearre as de wichtichste reden foar de hege selektiviteit foar verzadigde C2-koalwetterstof.CuI-ôflaat Cu nanofibers lieten ek hege selektiviteit sjen nei C2H6 (FE = 30% by -0.735 V tsjin RHE) (89).De anisotropyske morfology en hege oerflak rûchheid fan CuI-ôflaat Cu nanofibers kinne ferbetterje de trapping effisjinsje fan geabsorbeerd H2 en sa fergrutsje de FE fan C2H6.

(A oant C) Morfology of struktuer effekten.(A) Tichtens fan atomen (lofteras) en de ferhâlding fan atomen oan 'e râneplakken (Nedge) nei atomen op' e (100) fleantúch (N100) (rjochter as) yn relevânsje foar de râne lingte (d).Reprodusearre mei tastimming fan John Wiley and Sons (58).(B) Skema fan morfology feroarsake pH-feroaring.Reprodusearre mei tastimming fan John Wiley and Sons (68).(C) Produktselektiviteit fan mesopore koper mei ferskate poargrutte en djipten.Reprodusearre mei tastimming fan John Wiley and Sons (32).(D oant H) Ligand effekten.(D en E) ECR op koper nanowire (Cu NW) mei ferskate soarten aminosoeren (D) of modifiers (E) by -1,9 V. Reprodusearre mei tastimming fan de Royal Society of Chemistry (35).(F) Produksje tariven fan C2H4 yn ferskillende halogenide electrolytes mei ferskillende adsorption potinsjes op Cu (35).Reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (91).NHE, normale wetterstofelektrode.(G) FE fan C2H4 en CO yn ferskillende konsintraasjes fan KOH elektrolyten en (H) Tafel helling fan C2H4 yn ferskillende konsintraasjes fan KOH elektrolyten.(G) en (H) wurde reprodusearre fan 'e American Association for the Advancement of Science (AAAS) (33).

Katalysator oerflak modifikaasje mei help fan lytse molekulen is in oare bekende strategy te ferbetterjen de elektrochemical prestaasjes fan ECR.Dizze strategy kin beynfloedzje de mikroomjouwing tichtby de katalysator oerflak, dat kin stabilisearje de kaai intermediates fanwege de ynteraksje tusken oerflak ligand en tuskenlizzende.Amine is rapportearre as modifier om ECR te befoarderjen (35).Ferskate aminosoeren, ynklusyf glycine (Gly), dl-alanine (Ala), dl-leucine (Leu), dl-tryptofaan (Tyr), dl-arginine (Arg), en dl-tryptofaan (Trp), binne ûndersocht om studearje harren effekten op koper nanowires (35).Lykas sjen litten yn Fig. 5D, alle amino acid-basearre liganden wienen by steat fan it ferbetterjen fan de selektiviteit fan C2 + koalwetterstoffen.Sa'n ferbettering suggerearret dat ─COOH en ─NH2 funksjonele groepen yn aminosoeren wierskynlik ferantwurdlik binne foar de ferhege selektiviteit fan ECR.Foarige rapporten yllustrearre dat de adsorpsje fan aminosoeren op it Cu-oerflak waard berikt troch sawol ─COOH- as ─NH2-groepen (35, 90).Stearinezuur (C17H35COOH, RCO2H), dy't allinich de ─COOH-groep befettet, waard selektearre om de rol fan ─COOH te identifisearjen.Oare modifiers, lykas a-anthraquinone diazonium sâlt (AQ), o-nitrobenzene diazonium sâlt (PhNO2), en dodecyl mercaptan (C12H25SH, RSH), dy't gjin ─COOH noch ─NH2 groepen befetsje, waarden ek ûndersocht.Lykwols, allegearre wiene net posityf foar C2 + koolwaterstof FE ferbettering (figuer 5E).Teoretyske berekkeningen jouwe oan dat ─NH3+-groepen yn it adsorbearre zwitterionyske glycine *CHO-intermediate kinne stabilisearje troch har sterke ynteraksje, lykas wetterstofobligaasjes.Yntroduksje fan halide-ionen yn 'e elektrolyt is in oare manier om de katalysatoren te feroarjen (91, 92).Lykas werjûn yn Fig.. 5F, C2H4 produksje taryf op plasma-aktivearre Cu koe signifikant ferhege mei help fan halide tafoegings.It waard oantoand dat I− ion aktiver is as Br− en Cl−, yn oerienstimming mei de oerienkommende adsorpsje-enerzjy fan I−, Br− en Cl− op it Cu(100) facet (91).Njonken halide toande hydroxide-ion ek in posityf effekt op C2H4-selektiviteit.Koartlyn rapporteare Sargent en meiwurkers (33) de CO2-nei-C2H4-konverzje mei ~70% FE mei konsintrearre kaliumhydroxide (KOH) elektrolyt (oant 10 M) yn in streamsel.As werjûn yn Fig.Fierder, de Tafel hellingen (Fig. 5H) fan C2H4 formaasje fermindere mei de ferheging fan hydroxide konsintraasje (135 mV decade-1 yn 1 M KOH en 65 mV decade-1 yn 10 M KOH), wat suggerearret de transmutaasje fan de totale taryf- bepalende stap.Tichtheid funksjonele teory (DFT) resultaten bewiisden dat de oanwêzigens fan konsintrearre hydroxides koe ferleegje de binende enerzjy fan de CO tuskentiid en fergrutte ek de lading ûnbalâns tusken twa koalstof atomen yn adsorbed OCCO intermediates.As gefolch soe it OCCO-tuskenmiddel fierder stabilisearre wurde troch in sterkere dipole-attraksje, dy't liedt ta legere aktivearjende enerzjybarriêre foar CO-dimerisaasje, dy't dan de algemiene prestaasjes ferbetterje.

C2+ oxygenaten lykas ethanol (CH3CH2OH) binne in oare wichtige kategory fan heul weardefolle ECR-produkten.Yndustriële synteze fan ethanol is in enerzjy-yntinsyf proses, dat ek in grutte hoemannichte ethylene of agraryske feedstocks konsumearret (40).Sa makket elektrokatalytyske produksje fan ethanol of oare C2+ oxygenaten út CO2 in soad ekonomysk en miljeu sin.Sûnt ethanol generaasje út ECR dielde in foarlêste tuskentiid mei C2H4 dat is * C2H3O (43), selektive hydrogenation fan dit tuskenlizzende koe switch ECR paden fan C2H4 nei alkoholen (64).Yn 'e measte systemen is de selektiviteit foar C2+ oxygenaten lykwols folle leger as koalwetterstoffen (31, 37, 39, 41, 42, 67).Sa, yn dizze seksje, sille wy markearje de electrocatalyst design strategyen dy't kinne berikke yndrukwekkende C2 + oxygenate FE fan mear as 25%.

Lykas hjirboppe besprutsen, kinne goed ûntworpen bimetallyske katalysatoren de selektiviteit en aktiviteit ferbetterje foar C2+-koalwetterproduksje.In ferlykbere, mar net identike strategy is ek brûkt om de elektrokatalytyske prestaasjes te ferbetterjen foar C2+ oxygenaten (38, 93, 94).Bygelyks, Ag-ynboude Cu-Cu2O-katalysatoren eksposearre ynstelbere ethanolselektiviteit, en de heechste ethanol FE wie 34.15% (95).De bifasyske grins yn 'e faze-mingde Ag-Cu-legering, ynstee fan Ag / Cu-atoomferhâlding, waard identifisearre as de kaaifaktor foar selektive produksje fan ethanol.Om't de Cu-side tige ticht by de Ag-side is yn in faze-blend patroan (Ag-Cu2OPB), koe de formaasjesnelheid fan ethanol-yntermediaten foar it faze-mingde stekproef befoardere wurde yn ferliking mei de faze-skieden (Ag-Cu2OPS) ), wat liedt ta in bettere prestaasjes fan ethanolgeneraasje.Neist ethanol binne Cu-Ag bimetallyske NP's ek oantoand om CO2 te konvertearjen nei acetate mei de tafoeging fan benzotriazol (93).By -1.33 V tsjin RHE wie de FE fan acetate 21.2%.Twa mooglike reaksjepaden waarden yn dit gefal foarsteld: Ien is basearre op CO-dimerisaasje, en de oare is op CO-ynfoegje, en markeart de krityske rol fan CO-tuskenfoarming op aktive Ag-siden.In ferlykbere observaasje waard rapportearre yn Cu-Zn katalysatoren (Fig. 6, A en B) foar ethanol produksje (38).Troch it ôfstimmen fan de ynhâld fan Zn yn Zn-Cu legere katalysatoren, koe de ferhâlding fan ethanol tsjin C2H4 FE goed kontrolearre wurde yn it berik fan 0,48 oant 6, wat suggerearret it belang fan CO-ûntwikkeljende plakken foar C2+ oxygenate formaasje.Formaasje fan alloyed katalysatoren kin induce de strain effekt op de matrix materiaal, dat miskien net winske soms.Sa kin in direkte rûte nei bimetallyske katalysatoren mear geskikt wêze foar guon doelprodukten.Jaramillo en meiwurkers (96) konstruearre in ferienfâldige Au-Cu bimetallysk systeem, synthesized troch direkte ôfsetting fan gouden NPs op in polycrystalline Cu-folie, om te ûndersykjen de tandem katalysis effekt.De bimetallyske Au-Cu eksposearre synergistyske selektiviteit en aktiviteit foar C2+ alkoholen, en presteare suver koper en goud, en Au-Cu alloy.Yn ferliking mei Cu-folie toande it bimetallyske Au-Cu-systeem ferhege lokale CO-konsintraasje troch de oanwêzigens fan Au NP's (Fig. 6C) dy't aktyf wiene foar CO-generaasje.Sûnt goud is net aktyf foar CO-reduksje, waard de ferbettere C2+ alkoholproduksjerate op Au-Cu bimetallyske katalysatoren taskreaun oan in tandemkatalysemeganisme.Spesifyk koene gouden NP's in hege lokale CO-konsintraasje by it Cu-oerflak generearje.Dêrnei kinne de oerfloedige lokale CO-molekulen fierder wurde fermindere nei C2+ alkoholen troch Cu.

(A oant C) Alloy effekten.(A) Maksimum FE fan ethanol en C2H4 en de FE-ferhâlding fan ethanol en ethyleen op ferskate Cu-Zn alloys.(B) Partial hjoeddeistige tichtens fan ethanol op ferskate Cu-Zn alloys.(A) en (B) wurde reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (38).(C) CO2-reduksje en CO-evolúsje tariven op goud, koper, en it Au-Cu bimetallysk systeem.Reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (96).(D oant L) Morfology of struktuer effekten.(D) Skematyske yllustraasje fan metaal-ion-fytsmetoade.(E en F) SEM-ôfbyldings fan 100-syklus Cu foar (E) en nei (F) de prereduksje ûnder ECR-betingsten.(G) TEM en elektroanendiffraksje mei selektearre gebiet suggerearren dat Cu (100) bleatsteld waarden en (H) frije enerzjy foar *OCCO en *OCCHO formaasje op Cu (100), Cu (111), en Cu (211) fasetten.(D) oant (G) wurde reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (42).(I) Ferhâlding fan oxygenates en koalwetterstoffen as funksje fan potinsjeel op Cu (111), Cu (751), en Cu (100).(J) Koördinaasjenûmers foar Cu(111), Cu(100), en Cu(751).(I) en (J) wurde reprodusearre mei tastimming fan de Nasjonale Akademy fan Wittenskippen (97).(K) Skema fan it transformaasjeproses fan Cu NPs nei kubike-like koper.Reprodusearre mei tastimming fan 'e National Academy of Sciences (98).(L) SEM-ôfbyldings fan nanodendrityske koper foar en nei ECR.Reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (99).

Selektive bleatstelling fan kristal fasetten foar electrocatalysts is oantoand as in effektive en rjochtlinige oanpak foar it berikken fan ferbettere FE nei spesifike ECR produkten en in wichtige manier foar fûnemintele begryp.Ienfâldige mar skalberbere synteze fan ienkristalkatalysatoren is útdaagjend.Ynspirearre troch de galvanostatyske oplaad-ûntlading (GCD) proseduere foar batterijen, ûntwikkele ús groep in metaal-ion-fytsmetoade (Fig. 6D) om selektyf it kristalfaset fan in Cu-katalysator (42) te eksposearjen.Nei 100 GCD-syklusen waard in dichte Cu nanocube-array foarme op 'e Cu-folie mei bleatstelde (100) fasetten (figuer 6, E oant G).De 100-syklus katalysator presintearre in totale C2+ alkohol FE fan mear as 30% en in oerienkommende C2+ alkohol hjoeddeistige tichtheid fan mear as 20 mA cm-2.De 10-syklus Cu mei in legere ferhâlding fan it (100) faset biedt lykwols allinich in C2+ alkohol FE fan ~10%.DFT simulaasje befêstige dat de Cu (100) en stapte (211) fasetten wiene geunsticher foar C─C coupling oer Cu (111), lykas werjûn yn Fig.. 6H.In model katalysator, epitaxial Cu film mei ferskillende bleatsteld fasetten, is brûkt om te bepalen de aktive-site motiven rjochting C2 + oxygenate produksje (figuer 6I) (97).Om't it statistysk minder wierskynlik is dat in CO * -dimeer neist H * atomen is op in oerflak mei minder buorlju, kinne legere koördinearre Cu-siden de formaasje fan koalwetterstoffen ûnderdrukke en liede ta ferbettere C2+ oxygenate FE, om't it dreger is om te hydrogenearjen C─C keppele ECR intermediates op syn oerflak (97).Yn 'e epitaksiale Cu-filmstúdzje befêstige de auteurs dat de ECR op' e Cu (751) facet in ferbettere oxygenate / koalwetterferhâlding toande.Dizze ferbettering koe wurde taskreaun oan it oerflak Cu atoom mjitkunde fan ferskillende Cu fasetten en de oerienkommende legere gemiddelde koördinearre oantal (fig. 6J), dêr't Cu atoom koördinearre, respektivelik, mei twa, fjouwer, en seis neiste buorlju op Cu (751), Cu(100), en Cu(111) fasetten.In situ morfologyske rekonstruksje is ek brûkt om C2+ oxygenate FE te ferbetterjen.In aktive kubus-like Cu-katalysator waard ûntwikkele troch Yang en kollega's (98), dy't ferbettere C─C-keppelingsprestaasjes toande.Yn detail waarden monodisperse Cu NP's (6.7 nm) mei ferskate ladingen op koalstofpapierstipe dellein as katalysator foar ECR.Fansels waard ferhege FE fan C2+ oxygenaten waarnommen mei de ferheging fan Cu NP-laden.It waard oantoand dat ticht ynpakt Cu NPs ûnder hege laden betingsten ûndergie in situ morfologyske transformaasje tidens ECR, dêr't cube-lykas morfologyen waarden úteinlik foarme (Fig. 6K).Dizze nij foarme struktuer waard fûn mear elektrokatalytysk aktyf te wêzen.Tafel-analyse suggerearre dat CO-dimerisaasje de taryfbepalende stap wie foar C2-produktfoarming, wylst dy fan n-propanol in diskrete paad toande yn dit katalytyske systeem.Nanodendritysk koper is in oar foarbyld dat it belang toant fan morfologykontrôle foar C2+ oxygenate produksje (99).Koartsein wie de totale FE fan 'e goed definieare koperen nanodendrite (fig. 6L) foar C2+ alkohol sawat 25% by -1.0 V tsjin RHE.In yndrukwekkende n-propanol FE fan 13% koe wurde berikt op -0,9 V. Sjoen de hege aktiviteit fan Cu atom, koper-basearre katalysatoren altyd lije oan strukturele degradaasje tidens ECR, benammen by hege overpotential, dy't, op syn beurt, liedt ta earme stabiliteit.Sa'n nanodendrityske koper toande lykwols goede stabiliteit foar alkoholproduksje, en toande in alkohol FE fan ~24% oer 6 oeren.

Defekten fan elektrokatalysators, lykas atoomfakatueres en dopanten, litte de mooglikheid sjen om unkonvinsjonele ECR-intermediaten te adsorbearjen en sadwaande selektyf it korrespondearjende paad nei oxygenaten te ferbetterjen (29, 43, 100).Troch * C2H3O as foarbyld te nimmen, dat is de potinsjele foarlêste tuskentiid foar etyleen- en ethanolproduksje, studearre Sargent en meiwurkers (43) de rol fan defekten yn in kearn-shell Cu-elektrokatalysator yn detail.Se lieten teoretysk sjen dat de reaksje-enerzjybarriêres foar etyleen- en ethanolfoarming ferlykber wiene yn 'e iere C─C-koppelingsstadium (0.5-V-overpotential) (Fig. 7A).Under sa'n betingst soe de ynfiering fan koperfakatuere de enerzjybarriêre foar etyleenfoarming in bytsje ferheegje, dochs liet it gjin ynfloed sjen op 'e ethanolgeneraasje (Fig. 7B).Lykwols, lykas werjûn yn Fig.. 7C, koper katalysatoren mei leechstân en subsurface sulfur dopant koe flink fergrutsje de enerzjy barriêre foar de ethylene rûte, wêrtroch't it thermodynamysk ûngeunstich.Sa'n wiziging liet lykwols in negatyf effekt sjen op it ethanolpaad.Dit ferskynsel waard fierder eksperiminteel ferifiearre.In kearn-shell strukturearre Cu2S-Cu mei abundant oerflak fakatueres (Cu2S-Cu-V; Fig. 7D) waard synthesized.De ferhâlding fan alkohol oan etyleen ferhege fan 0,18 op bleate Cu NPs nei 0,34 op fakatuerefrije Cu2S-Cu en dan nei 1,21 op Cu2S-Cu-V, hoewol't de totale FE fan C2+ produkten foar alle katalysatoren bleau ferlykber (Fig. 7E) .Dizze observaasje joech oan dat de promoasje fan alkoholselektiviteit ferbûn wie mei de ûnderdrukking fan ethyleneproduksje, konsekwint mei it DFT-resultaat.Derneist spilet defekttechnyk in wichtiger rol foar metaalfrije koalstofkatalysator, om't suvere koalstofmaterialen ynaktyf binne foar ECR.Dopanten lykas stikstof en boron binne brûkt om de elektroanyske struktuer fan in koalstof-basearre katalysator te feroarjen (31, 43, 100).Bygelyks, stikstof-gedopte nanodiamant (NDD) film op silisium substraat waard devolearre troch Quan et al.(29) foar selektive acetate produksje út ECR (Fig. 7F).It acetate-begjinpotinsjeel wie sa leech as -0.36 V tsjin RHE mei in NDD-katalysator, en de FE foar acetate wie mear as 75% yn in potinsjeel berik fan -0.8 oant -1.0 V tsjin RHE.Om de oarsprong fan sa'n yndrukwekkende ferbettering te begripen, waarden NDD / Si-elektroden mei ferskate stikstofynhâlden of stikstofsoarten taret en ûndersocht (figuer 7G).De auteurs konkludearren dat de superieure prestaasjes fan 'e NDD / Si-katalysator foar ECR kinne wurde taskreaun oan syn hege overpotential foar wetterstofevolúsje en N-doping, wêr't N-sp3C-soarten tige aktyf wie foar acetateproduksje.Elektrokinetyske gegevens en in situ ynfraread spektrum die bliken dat it haadpaad foar acetatfoarming CO2 → *CO2− → *(COO)2 → CH3COO− kin wêze.Njonken stikstof is boron in oar goed ûndersocht heteroatom om de elektroanyske struktuer fan nanodiamant te regeljen.Boron-doped nanodiamant (BDD) fermindere lykwols CO2 by foarkar ta formaldehyd of formiaat (101).Fierder hawwe Quan en meiwurkers (102) oantoand dat boron en stikstof co-doped nanodiamond (BND) synergistysk effekt toande op ECR, dy't de beheining fan BDD koe oerwinne en dan selektyf ethanol produsearje.BND1, BND2, en BND3 katalysatoren mei ferskillende stikstof ynhâld en ferlykbere boron doping nivo waarden taret.As werjûn yn Fig.Teoretyske berekkening yllustrearre dat it C─C-keppelingsproses op BND thermodynamysk geunstich wie, wêrby't it boroatoom it fangen fan CO2 befoardere en stikstofdotering fasilitearre de hydrogenaasje fan intermediate nei ethanol.Hoewol't heteroatom-gedopte nanodiamant yn steat wie om CO2 te konvertearjen yn multicarbon oxygenaten mei hege selektiviteit, is syn ECR-aktiviteit tige beheind fanwege it trage ladingsferfierproses (aktuele tichtens is minder dan 2 mA cm−2).Graphene-basearre materiaal kin in potinsjele oplossing wêze om de tekoarten fan diamant-basearre katalysatoren te oerwinnen.Teoretysk binne de rânen pyridinyske N-plakken yn 'e grafeenlaach nommen as de aktive siden foar C─C-keppeling (103).Dit komt troch it feit dat de oanwêzigens fan pyridine N oan râne sites koe omsette CO2 yn CO, dat kin wurde fierder keppele yn C2 + molecule (Fig. 7I).Bygelyks, de * C2O2 tuskentiid koe wurde stabilisearre yn stikstof-doped koalstof wêryn de twa C atomen binne bûn oan de pyridinic N en syn neistlizzende C atoom, respektivelik (103).De teoretyske foarsizzing waard doe falidearre mei help fan stikstof-dopte grafene quantum dot (NGQD) katalysatoren (31).Nei it pulverisearjen fan stikstof-dopte grafenblêden (1 oant 3 μm) (Fig. 7J), waarden 1- oant 3-nm NGQD's krigen wêryn de tichtens fan pyridinyske N by râneplakken ferhege waard troch trije oarders fan grutte.By -0.78 V tsjin RHE koe de maksimale FE foar C2+ oxygenaten oant 26% berikke.Dêrnjonken is, lykas werjûn yn Fig.Yn ferliking, N-frije grafene kwantumpunten en N-dopte grafeen okside, dy't folle legere râne site pyridinyske N sjen litte, primêr levere H2, CO, en formate.

(A oant C) Gibbs frije enerzjy fan *C2H3O nei ethylene en ethanol foar koper, koper mei leechstân, en koper mei koperfakatuere en subsurface swevel.(D) Skematyske yllustraasje fan de Cu2S-Cu-V-katalysator.(E) FE fan C2+ alkoholen en ethylene, lykas de FE-ferhâlding fan alkoholen oan alkenen.(A) oant (E) wurde reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (43).(F) SEM-ôfbylding fan NDD.(G) Produksje tariven fan acetate en formiate op NDD mei ferskillende stikstof ynhâld.op %, atoom %.(F) en (G) wurde reprodusearre mei tastimming fan 'e American Chemical Society (29).(H) FE's foar NDD, BDD en BND's op -1.0 V. Reprodusearre mei tastimming fan John Wiley en Sons (102).(I) Skematyske yllustraasje fan 'e aktive siden foar C─C-keppeling yn NGQD's.(I) wurdt reprodusearre mei tastimming fan de American Chemical Society (103).(J) TEM-ôfbylding fan NGQD's.Skaalbalken, 1 nm.(K) Dielstromdichtheden foar ferskate produkten mei NGQD's.(J) en (K) wurde reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (31).

Beyond electrocatalysts, elektrodes en katalytyske reaktor-arsjitektuer-ûntwerp presintearje in oare effektive rûte om de ECR-prestaasjes te stimulearjen, foaral foar produksjerate en enerzjy-effisjinsje.Wichtige ferbetteringen binne makke op ûntwerp en fabryk fan nije elektroreduksjesystemen om heul effisjinte C2+-produksje te berikken.Yn dizze seksje sille wy it ECR-elektrode- / reaktorûntwerp yn detail beprate.

H-type sellen wurde wiidweidich brûkt yn lab-skaal tests, sjoen harren maklike montage, maklike operaasje, en lege kosten.De sellen binne foarsjoen fan ûnôfhinklike kathode en anode keamers dy't ferbûn binne troch in ion-útwikseling membraan (104, 105).It primêre neidiel fan dizze H-type sel is de lege CO2-oplosberens yn wetterige elektrolyt, dy't mar 0,034 M is ûnder omjouwingsomstannichheden, dy't liedt ta beheinde CO2-reduksjestroomdichtheden fan j <100 mA cm−2 (64).Boppedat, oare yntrinsike neidielen, ynklusyf in beheind elektrodes oerflak en in grutte interelectrode ôfstân, binne net slagge om te foldwaan oan de groeiende ûndersyk easken (105, 106).Foar C2+ produktgeneraasje toane sellen fan H-type normaal lege selektiviteit ûnder hege oerpotinsjes, bgl 20,4% foar ethanol by -0,46 V tsjin RHE (108), troch de serieus kompetitive wetterstofevolúsje.

Om de boppesteande problemen oan te pakken, waard de streamreaktor foarsteld (15, 109).Yn flow sellen, gasfoarmige CO2 stream kin direkt brûkt wurde as feedstock by kathode, dus liedend ta signifikant ferbettere massa diffusion en produksje rate (104, 110).Figure 8A toant de typyske arsjitektuer fan in flow sel, dêr't in polymeer electrolyte membraan (PEM) tsjinne as de elektrodes separator dat is sandwiched tusken twa flow kanalen.De katalysator wurdt ymmobilisearre op in gasdiffusjonele elektrode (GDE) om te tsjinjen as de kathodeelektrode, wêryn gasfoarmige CO2 direkt oanfierd wurdt.De katolyt, lykas 0,5 M KHCO3, wurdt kontinu streamd binnen de tinne laach tusken de katalysatorelektrode en PEM.Derneist wurdt de anodekant typysk sirkulearre mei in wetterige elektrolyt foar soerstofevolúsjereaksje (43, 110).Yn ferliking mei H-type sellen, dizze membraan-basearre stream sellen toane folle superieure ECR prestaasjes.Bygelyks, Sargent en meiwurkers (43) evaluearre de ECR-prestaasjes fan 'e Cu2S-Cu-V-katalysator yn sawol H-type sel en streamsel, lykas ôfbylde yn Fig. 8 (B oant E).Mei help fan sellen fan H-type wie de maksimale FE foar C2+ produkten 41% mei in totale stroomdichtheid fan ~30 mA cm-2 ûnder -0.95 V tsjin RHE.De FE foar C2+-produkten ferhege lykwols nei 53% mei in totale stroomdichtheid dy't maklik mear as 400 mA cm-2 ûnder -0.92 V fersus RHE yn in streamsysteem gie.Sa'n signifikante prestaasjesferbettering mei de streamreaktor kin wurde taskreaun oan 'e ferbettere CO2-diffusie en ûnderdrukte sydreaksjes, benammen dy't ûntstien binne út' e lokale gas-elektrolyt-katalysator triple-interface-arsjitektuer.

(A) In diagram fan de flow electrolyzer mei in ynzoomd skema fan de elektrode-elektrolyt ynterface.(A) wurdt reprodusearre mei tastimming fan John Wiley and Sons (30).(B oant E) Fergeliking fan ECR-prestaasjes mei help fan H-type sel en streamsel.(B) oant (E) wurde reprodusearre mei tastimming fan de Nature Publishing Group (43).(F oant H) Ferskillende elektrolyten tapast yn streamsellen tsjin de ECR-prestaasjes.(F) oant (H) wurde reprodusearre mei tastimming fan John Wiley and Sons (30).(I to K) Struktuer en stabiliteit prestaasjes fan de polymeer-basearre gas diffusion elektrodes.(I) oant (K) wurde reprodusearre mei tastimming fan AAAS (33).

De nul gap sel is in oare opkommende klasse fan electrolyzers, dy't fierder ferwideret de stream kanalen yn flow sellen en drukt twa elektroden tegearre mei in ion-útwikseling membraan tusken.Dizze konfiguraasje koe massa oerdracht en elektroanen oerdracht ferset gâns ferminderje en sa ferbetterjen enerzjy effisjinsje, wêrtroch it mear helber yn praktyske tapassingen (110).De reactants fiede oan de kathode kin wêze of CO2-fersêde catholyte of humidified CO2 stream.Wetterdamp of wetterige elektrolyt wurdt ferplicht oan 'e anode fied foar proton frijlitting om de lading te kompensearjen foar de soarten CO2-reduksje (111).Gutiérrez-Guerra et al.(109) evaluearre de prestaasjes fan 'e Cu-AC hybride katalysator yn' e nul gap sel en rapportearre dat acetaldehyde is it haadprodukt mei in hege selektiviteit fan 60%.As in oar foardiel fan dit apparaat is it heul maklik om de reactantstream te drukken en de lokale CO2-konsintraasje signifikant te ferbetterjen, sadat in grutte aktuele tichtens en hege reaksjesnelheden (110) resultearje.Lykwols, de fersnelde ion útwikseling taryf yn nul gat sellen tend to acidify de catholyte, ferskowing de reaksje nei H2 evolúsje ynstee fan CO2 reduksje (112).Om dit probleem oan te pakken, hawwe Zhou en kollega's (112, 113) in bufferlaach ynfoege mei in sirkulearjende wetterige elektrolyt tusken de kathode en membraan om de juste pH tichtby de kathode te behâlden foar CO2-reduksjereaksje.Hoewol ferskate C2 + produkten waarden ûntdutsen op basis fan de nul gap sellen, ynklusyf aceton, ethanol, en n-propanol, de FEs binne noch relatyf leech.De measte rapporteare stúdzjes rjochtsje har altyd op C1-produkten dy't minder oantallen proton- en elektroanentransfers befetsje tidens de reduksjereaksje.Dêrom is de helberens fan 'e nul-gap-sel foar C2+-produkten noch ûnder debat (110).

Boppedat binne mikrofluidyske elektrolytyske sellen (MEC's) in soarte fan heul oantreklike elektrolyzerkonfiguraasje ûntwikkele troch Kenis en kollega's (39, 114).Yn dit apparaat wurdt it membraan ferfongen troch in tinne romte (<1 mm yn dikte) fol mei streamende elektrolytstream om de anode en kathode te skieden.De CO2-molekulen koenen fluch diffúsje yn 'e elektrode-elektrolyt-ynterface by kathode, en de twa fêste GDE's wurde troch stromende elektrolyt spoeld.Yn ferliking mei membraan-basearre streamsellen mije MEC's net allinich de hege membraankosten, mar ferminderje ek wetterbehear, wat benammen ferwiist nei de anode-droech- en katode-oerstreaming as se wurde eksploitearre by hege stroomdichtheden fanwegen de osmotyske drag fan wettermolekulen tegearre mei protontransport fan anode nei kathode oer it membraan (115).Foar safier't wy witte, nettsjinsteande de merkbere fertsjinsten en prestaasjes, hawwe in minimaal oantal stúdzjes C2+-produkten yn 'e orizjinele MEC's berikt.Dit wurdt wierskynlik feroarsake troch de "driuwende" effekt dat protoanen foarme yn 'e anode wurde maklik drained út' e kathode omjouwing of wosken troch de streamende electrolyte, ynstee meidwaan oan de meardere proton fereaske C2 + formaasje reaksje.De spekulaasje koe wurde befêstige troch de folgjende eksimplaar.Yn 2016 melde Kenis en kollega's (31) de suksesfolle reduksje fan CO2 nei C2+ produkten op in wizige en membraanbefettende MEC, wêryn NGQD's CO2-molekulen kinne ferminderje nei C2+ mei 55% FE (31% foar ethylene, 14% foar ethanol, 6% foar acetate, en 4% foar n-propanol) by in tapast potinsjeel fan -0.75 V tsjin RHE yn 1 M KOH-oplossing.It is wichtich om te wizen dat in elektrolytomjouwing ek de produktselektiviteit signifikant kin beynfloedzje.Bygelyks, Jiao en kollega's (30) synthesisearre in nanoporeuze Cu-katalysator en testen doe syn ECR-prestaasjes mei ferskate elektrolyten (KHCO3, KOH, K2SO4, en KCl) yn in membraan-basearre MEC.Se die bliken dat de CO2-reduksje yn alkaline elektrolyt (KOH) de heechste C2+-selektiviteit en aktuele tichtens toant, lykas werjûn yn figuer 8 (F en G).By -0.67 V tsjin RHE yn 1 M KOH elektrolyt, berikt de krigen FE foar C2+ oant 62% mei in dielstroomdichtheid fan 653 mA cm-2, wat ûnder de heechste stroomdichtheden is dy't ea rapporteare binne yn elektrogemyske CO2-reduksjes rjochting C2+ produkten.Ethyleen (38,6%), ethanol (16,6%), en n-propanol (4,5%) binne de wichtichste C2+ produkten mei in lyts bedrach fan acetate.Se wiisden ek op dat der in sterke korrelaasje is tusken de berekkene oerflak pH en FE foar C2+ produkten: De hegere it oerflak pH, de hegere hjoeddeistige tichtens en C2+ produkten opbringst, lykas ôfbylde yn Fig.. 8H.De teoretyske berekkening stelde foar dat de near-oerflak OH--ionen de C─C-keppeling sterk kinne fasilitearje (31).

Neist de elektrolyzerkonfiguraasje koe de elektrolyt tapast yn ferskate elektrolysers ek de definitive ECR-produkten signifikant feroarje.Lykas wy hjirboppe neamden, wurde heul alkaline KOH-oplossingen altyd brûkt yn streamsellen mei poerbêste prestaasjes ynstee fan yn sellen fan H-type.It wurdt taskreaun oan it feit dat KOH elektrolyt koe leverje hegere electrolyte conductivity, ôfnimme ohmic wjerstân tusken de tinne electrolyte coating op katalysator en bulk electrolyte, en fierder ôfnimme de fereaske overpotentials foar C2 + formaasje (31).De DFT-resultaten befêstigje fierder dat de oanwêzigens fan OH−-ionen de enerzjybarriêre foar CO-dimerisaasje kinne ferleegje, sadat de C2+-formaasje stimulearje en de konkurrinsje fan C1- en H2-formaasje ûnderdrukke (30, 33).Alkalyske KOH koe lykwols net brûkt wurde as elektrolyt yn sellen fan H-type.Dit is om't CO2-streamen rap sille reagearje mei KOH-oplossingen en as lêste in bikarbonatoplossing meitsje mei neutrale pH yn sellen fan H-type (30).Yn streamzellen, lykwols, ienris de CO2 diffús troch de GDE, sille de CO2-molekulen wurde konsumearre by de trijefâldige grinsfaze (CO2-katalysator-elektrolyt) om fuortendaliks fermindere produkten te foarmjen.Derneist is de minne bufferkapasiteit fan 'e elektrolyt yn steat om de pH rap om' e elektrode te ferheegjen yn stasjonêre elektrolyzerkonfiguraasjes, wylst de streamende elektrolyt it oerflak sil ferfarskje en de pH-fluktuaasje yn 'e elektrolyt minimalisearje (33, 116).

Lykas hjirboppe neamde dat ECR in diffusion-kontroleare reaksje is, koe hege reaksjedruk ek de bulk- en ynterface CO2-konsintraasje signifikant ferbetterje.De mienskiplike hege druk reaktors binne fergelykber mei de roestfrij stiel autoklaaf, wêryn hege druk CO2 (oant 60 atm) koe wurde yntrodusearre yn 'e sel, dy't liedt ta in opmerklike ferheging fan sawol de FE en de hjoeddeiske tichtheid fan C2 + (117) , 118).Sakata en meiwurkers (119) lieten sjen dat de aktuele tichtens koe wurde ferbettere nei 163 mA cm-2 ûnder 30 atm op in Cu-elektrode mei ethylene as it haadprodukt.In protte metalen katalysatoren (bygelyks Fe, Co, en Ni), mei gjin aktiviteit foar C2+ produksje by ambient druk, koe ferminderje CO2 ta ethylene, etaan, propaan, en oare hege-oarder C2 + produkten by ferhege druk.It is oantoand dat de selektiviteit fan 'e produkten sterk ôfhinklik is fan' e CO2-druk yn 'e manier om CO2-beskikberens te feroarjen op it elektrodes oerflak (117, 120).De wichtichste fermindere produkten wurde feroare fan H2 nei koalwetterstoffen (C2+ ynbegrepen) en as lêste nei CO / HCOOH mei ferhege CO2-druk.Opmerklik moat de CO2-druk soarchfâldich kontrolearre wurde, om't oerstallige hege of lege CO2-drukken oerstallige of beheinde CO2-diffusjonsrate soe inducearje, dy't de neiging hat om de produksje fan CO / HCOOH of H2 te favorisearjen.Allinich in kompatibele hoemannichte tuskenlizzende CO en aktuele tichtens dy't generearre op it elektrodes oerflak koe fasilitearje de C─C coupling reaksje en ferbetterje C2+ produkt selektiviteit (119).

It ûntwerpen fan in nije elektrode mei avansearre struktueren is in oare wichtige rjochting om de selektive C2 + produksje te ferbetterjen.Yn it iere stadium binne de wurkelektroden net-poreuze metalen folies en lije oan trage massaoerdracht (26, 105).As gefolch waard GDE foarsteld om de minne selprestaasjes te ferleegjen troch hydrofobe kanalen te leverjen dy't CO2-diffusie fasilitearje nei katalysatordieltsjes (121).De konvinsjonele GDE meastal bestiet út in katalysator laach (CL) en in gas diffusion laach (GDL), lykas werjûn yn it legere diel fan figuer 8A (30, 33).De gas-floeistof-katalysator-ynterface foarme yn GDE is krúsjaal om de selprestaasjes te ferbetterjen.De GDL gearstald mei poreuze materialen (typysk koalstofpapier) koe oerfloedich CO2-paden leverje en soargje foar rappe elektrolytdiffusjonsrate.It fungearret ek as in lege-resistinsje ferfier medium foar protoanen, elektroanen, en reduksje produkten út de CL yn de electrolyte (121).Drop casting, airbrushing, en electrodeposition binne de mienskiplike technologyen foar tarieding fan GDE's (122).Katalysatoren gearstald mei GDE's binne yntinsyf ûndersocht yn CO2 elektroreduksje nei C2+ produkten.Opmerklik binne de earder neamde streamsellen mei geunstige prestaasjes allegear keppele mei GDE's.Al yn 1990 rapporteare Sammells en meiwurkers (123) dat Cu-coated GDE's hege FE fan 53% berikten foar ethylene mei in hege tichtheid fan 667 mA cm−2.It ferbetterjen fan de selektiviteit fan etyleen en ethanol is in grutte útdaging dy't altyd koprodusearre wurdt op Cu-basearre katalysatoren fanwegen har heul ferlykbere meganistyske reaksjepaden.Boppedat is it wichtich om te wizen dat de ferhege produktiviteit en selektiviteit fan ethylen yn ferliking mei ethanol binne waarnommen op Cu-basearre GDE (25, 36).Gewirth en kollega's (36) lieten in poerbêste FE fan 60% sjen foar ethyleen en in ûnderdrukte FE foar ethanol fan 25% op elektrodeponearre Cu-Ag GDE, doe't de totale stroomtichtens ~300 mA cm−2 berikte by -0.7 V fersus RHE.It is in seldsum wurk dat sa'n hege selektiviteit hat berikt by in grutte stroomdichtheid.Dizze fynst suggerearret dat in GDE-ynboude elektrodes in kânsrike avenue biedt foar it ôfstimmen fan de reaksjepaden, wêryn de selektiviteit fan fermindere produkten kin wurde krigen by hege stroomdichtheden.

De stabiliteit fan GDE's is ek in wichtich probleem dat moat wurde oanpakt, om't stabile operaasje op lange termyn essensjeel is om praktyske tapassing foar streamsellen te realisearjen.Nettsjinsteande de treflike CO2-to-C2+-prestaasjes dy't berikt binne mei GDE's, is de stabiliteit noch min troch de swakke meganyske adhesion fan 'e katalysator, GDL, en bindmiddellagen (77, 124).It koalstofoerflak fan GDL kin feroarje fan hydrofobys nei hydrofilysk tidens de elektrogemyske reaksje troch de oksidaasjereaksje dy't barde by ferhege overpotentials, dy't liedt ta de oerstreaming yn GDL en obstruearre CO2-diffusjonspaden (33).Om dit probleem op te lossen, yntegrearre ûndersikers hydrofobe steigers fan polytetrafluorethylene (PTFE) yn GDE's.Yn ferliking mei hydrofile Nafion jout in hydrofobe PTFE-laach in superieure stabiliteit op lange termyn (33).Sargent en meiwurkers (33) sammele in Cu katalysator tusken de skieden PTFE en koalstof NPs, dêr't de hydrophobic PTFE laach koe immobilize de NPs en grafyt lagen, dus it bouwen fan in stabile elektrodes ynterface (Fig. 8, I en J).As gefolch waard de FE foar etyleenproduksje ferhege nei 70% yn 7 M KOH-oplossing by hjoeddeistige tichtens fan 75 oant 100 mA cm−2.It libben span fan dizze stream reactor waard ferlingd ta mear as 150 oeren mei negligible ferlies yn ethylene selectivity, dat is 300-fold langer as tradisjonele GDEs, lykas werjûn yn Fig.. 8K.Sa'n sandwichstruktuer is oantoand in treflik GDE-ûntwerp te wêzen.Bygelyks, Cui en kollega's (124) ûntwurpen in trijelaachstruktuer mei in aktive elektrodeslaach knipt troch twa hydrofobe nanoporous polyetyleenfilms.De bûtenste hydrofobe lagen koene de elektrolytflux fan 'e bulk-oplossing fertrage, wat liedt ta stabile, hege lokale pH om' e wurkelektrode.Optimalisaasje fan de ynterlaachromte, dy't CO2-transport en adsorpsje ferbetterje kin, is ek wichtich yn sa'n ûntwerp (124).Koartlyn binne koalstof nanotubes ek yntegreare yn 'e GDE's fanwege har hege porositeit, goede konduktiviteit en hydrofobisiteit, dy't elektroanen- en massaferfier kinne fasilitearje (77).

Nettsjinsteande de spannende foarútgong op ECR, strategyen foar lege kosten, grutskalige C2 + produkt generaasje komselden oanwêzich (125).Op dit stadium binne de útdagings en kânsen tagelyk om de reaksjemeganismen fan ECR te begripen en dizze kânsrike technology te kommersjalisearjen.

As in elegante oplossing om de koalstoflus te sluten en intermitterende duorsume enerzjy op te slaan, lykas wyn en sinne, binne substansjele foarútgong makke om effisjinte CO2-konverzje yn 'e ôfrûne desennia te berikken.Wylst it begryp fan 'e prosessen ferbûn mei ECR in lange wei is kommen sûnt syn iere dagen (126), is de C─C-keppeling fia ECR nei C2+-produkten noch fier fan klear foar praktyske tapassing.Yn dizze resinsje hawwe wy in detaillearre blik op 'e hjoeddeistige strategyen dy't de selektiviteit en produksjesifers foar C2+-produkten kinne befoarderje fia ECR, ynklusyf fine-katalysator-tuning, elektrolyteffekten, elektrogemyske omstannichheden, en elektrogemyske elektrodes / reaktorûntwerp.

Nettsjinsteande alle ynset yn ECR, binne d'r noch in protte problemen mei de hjoeddeistige katalysatoren en ECR-systeem dy't moatte wurde oanpakt foardat ECR kommersjalisearre wurdt.Earst, as de dominante katalysator om effisjinte C─C-keppeling te realisearjen, lijt Cu fan serieuze stabiliteitsproblemen, fral yn wetterige elektrolyt, en kin komselden oerlibje foar 100 oeren fanwege har hege atoommobiliteit, partikelaggregaasje en struktuerferfal ûnder ECR-betingsten.Sa, hoe te berikken lange-perioade stabiliteit mei help fan in Cu-basearre katalysator is noch altyd in iepen útdaging.Ferankerjen fan de Cu-basearre katalysator op spesifike stipe mei sterke ynteraksje kin in betroubere strategy wêze om de katalysatorstruktuer / morfology te behâlden en dus in fersterke libbenspaad te leverjen.Fierder kin it brûken fan in polymeermembraanelektrolyt om de wetterige oplossing te ferfangen tidens ECR wierskynlik de stabiliteit fan 'e Cu-basearre katalysator ferbetterje.Derneist, út it perspektyf fan katalysatoren, moatte in situ / yn operando-karakterisaasjetechniken en teoretyske modellering ek brûkt wurde om it ferfal fan 'e katalysatorprestaasjes te kontrolearjen en te begripen, sadat, op syn beurt, de degradaasje en fergiftiging fan' e katalysator ûnderdrukke nei de leechste nivo's.In oar wichtich probleem fan ECR-katalysatoren dy't moatte wurde oanpakt is om it syntheseprotokol leefber te meitsjen foar massaproduksje.Dêrta wurdt de foarkar streamlinen fan de syntetyske prosedueres mei breed beskikbere feedstocks.

Twad, de generearre C2+ oxygenated út ECR wurde meastentiids mingd mei soluten (bgl. KHCO3 en KOH) yn 'e elektrolyt foar tradisjonele H- as flow-cell reaktors, dy't lykwols ekstra skieding en konsintraasjeprosessen fereasket om suvere floeibere brânstofoplossingen te herstellen yn praktyske applikaasjes.Tagelyk wurde de evoluearre C2+ koalwetterstoffen ek mingd mei H2 en oerbliuwende CO2.Sa is in kostber skiedingsproses ûnmisber foar hjoeddeistige ECR-technology, wat ECR fierder hindert fan praktyske tapassing.Dêrom, hoe't jo direkt en kontinu suvere oplossingen foar floeibere brânstof en suvere gaskoalwetterstoffen kinne produsearje, benammen mei hege produktkonsintraasjes, is heul winsklik foar de praktyske ynset fan ECR.Wy foarsizze dus it tanimmende belang fan direkte generaasje fan suvere produkten fia ECR yn 'e heine takomst, wat de ECR-technology folle tichter by de merk kin bringe (127).

Tredde, wylst de formaasje fan C─O- en C─H-obligaasjes, lykas ethanol, acetic acid, en ethylene, yn ECR-technology swier ûndersocht is, is ferkenning fan oare soarten produkten ek wichtich foar ECR-technology en toant ekonomyske belangstelling.Bygelyks, koartlyn rapporteare Han en meiwurkers (128) de produksje fan 2-bromoethnol troch ECR.De in situ-formaasje fan C─Br-bân transformeart it produkt fan ethanol nei 2-bromoethnol, dat in wichtich boublok is yn gemyske en farmaseutyske synteze en hegere tafoege wearde toant.Sa, bûten de hjoeddeistige goed ûndersochte C2+-produkten, leauwe wy dat it rjochtsjen fan oare selden ûndersochte produkten lykas oxalic acid (129) en synteze fan mear komplekse C2+-molekulen lykas cyclyske ferbiningen in oare kânsrike rûte is foar takomstich ECR-ûndersyk.

As lêste, mar net it minste, moatte nije elektrodes- en reaktorûntwerpen lykas wetterdichte GDE, floeistofstreamsellen en PEM-sellen breed wurde oannommen om de ECR-produksjerate te stimulearjen nei kommersjeel nivo (> 200 mA cm−2).De grutte diskrepânsje yn elektrokatalytyske aktiviteit wurdt lykwols altyd waarnommen as elektrokatalysators wurde tapast op 'e folsleine seltest.Dêrom moatte mear systematyske stúdzjes wurde útfierd om de gap tusken heale-sel-stúdzjes en applikaasje foar folsleine-sel-apparaten te minimalisearjen om de ECR fan laboratoariumtest nei praktysk gebrûk te bringen.

Gearfetsjend biedt elektrogemyske CO2-reduksje in goede kâns foar ús om te gean mei it miljeuprobleem fan broeikasgassen útstjit troch minsklike aktiviteiten.It toant ek de mooglikheid om skjinne brânstoffen en gemikaliën te berikken mei duorsume enerzjy.Wylst in protte útdagings bliuwe foar ECR-technology yn it hjoeddeistige stadium, foaral foar it C─C-keppelingsproses, wurdt leaud dat mei oanhâldend ûndersyk en ûntwikkeling oer sawol katalysatoroptimalisaasje as selperfeksje, it perspektyf fan in echte wrâld CO2-elektrolyse foar skjinne brânstof en gemikaliën wurde realisearre yn de heine takomst.

Dit is in artikel mei iepen tagong ferspraat ûnder de betingsten fan de Creative Commons Attribution-NonCommercial lisinsje, dy't gebrûk, distribúsje en reproduksje yn elk medium tastiet, salang't it resultearjende gebrûk net foar kommersjeel foardiel is en mits it orizjinele wurk goed is oanhelle.

OPMERKING: Wy freegje allinich jo e-postadres sadat de persoan dy't jo de side oanbefelje wit dat jo woene dat se it sjogge, en dat it gjin junkmail is.Wy fange gjin e-mailadres.

Post tiid: Mar-04-2020