ในแง่ของความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมและการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน การลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (ECR) ด้วยไฟฟ้าเคมีไปเป็นเชื้อเพลิงและสารเคมีหลายคาร์บอนที่มีมูลค่าเพิ่ม (C2+) โดยใช้ไฟฟ้าหมุนเวียน นำเสนอวิธีแก้ปัญหาระยะยาวที่หรูหราเพื่อปิดวงจรคาร์บอนพร้อมผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจเพิ่มเติมเช่นกันอย่างไรก็ตาม การมีเพศสัมพันธ์ด้วยไฟฟ้า C─C ในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำยังคงเป็นความท้าทายที่เปิดกว้างเนื่องจากการเลือกสรร กิจกรรม และความเสถียรต่ำการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาและเครื่องปฏิกรณ์ถือเป็นกุญแจสำคัญในการจัดการกับความท้าทายเหล่านั้นเราสรุปความคืบหน้าล่าสุดในการบรรลุการเชื่อมต่อ C─C ที่มีประสิทธิภาพผ่าน ECR โดยเน้นที่กลยุทธ์ในตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าและการออกแบบอิเล็กโทรด / เครื่องปฏิกรณ์ด้วยไฟฟ้า และกลไกที่เกี่ยวข้องนอกจากนี้ ยังมีการหารือเกี่ยวกับปัญหาคอขวดในปัจจุบันและโอกาสในอนาคตสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2+เรามุ่งมั่นที่จะให้การทบทวนโดยละเอียดเกี่ยวกับกลยุทธ์การเชื่อมต่อ C─C ที่ล้ำสมัยแก่ชุมชนเพื่อการพัฒนาและแรงบันดาลใจเพิ่มเติมทั้งในด้านความเข้าใจพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยี

การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) มากเกินไปออกสู่ชั้นบรรยากาศทำให้เกิดผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมอย่างร้ายแรง และยังก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อสังคมมนุษย์อย่างเร่งด่วนและอาจแก้ไขไม่ได้ (1, 2)เนื่องจากความเข้มข้นของ CO2 ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจาก 270 ppm (ส่วนในล้านส่วน) ในช่วงต้นทศวรรษ 1800 เป็น 401.3 ppm ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2558 จึงมีมติเป็นเอกฉันท์ทั่วโลกเกี่ยวกับการรีไซเคิลรอยเท้าคาร์บอนที่ปล่อยออกมาจากกิจกรรมของมนุษย์ (3, 4)เพื่อตระหนักถึงรอยเท้าคาร์บอนแบบปิด แนวทางหนึ่งที่เป็นไปได้คือเปลี่ยนการพึ่งพาอุตสาหกรรมพลังงานและเคมีในปัจจุบันให้ห่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลไปเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และลม (5–8)อย่างไรก็ตาม สัดส่วนของพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเหล่านั้นถูกจำกัดเพียง 30% เท่านั้น เนื่องจากธรรมชาติของแหล่งพลังงานหมุนเวียนเหล่านี้ไม่ต่อเนื่อง เว้นแต่จะมีแนวทางสำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ (9)ดังนั้น ในอีกทางหนึ่ง การจับคาร์บอนไดออกไซด์จากแหล่งกำเนิด เช่น โรงไฟฟ้า ตามด้วยการแปลงเป็นวัตถุดิบตั้งต้นและเชื้อเพลิงเคมี จึงมีความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติมากกว่า (9–12)การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยไฟฟ้า (ECR) โดยใช้ไฟฟ้าหมุนเวียนถือเป็นวิธีแก้ปัญหาระยะยาวที่หรูหรา เนื่องจากสภาวะการทำงานที่ไม่รุนแรงซึ่งจำเป็นสำหรับการแปลง ซึ่งสามารถเลือกผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มได้ (13)ดังที่แสดงไว้ในแผนผังในรูปที่ 1 ในกระบวนการนี้ อิเล็กโทรไลเซอร์เคมีไฟฟ้าจะเปลี่ยน CO2 และน้ำให้เป็นสารเคมีและเชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าหมุนเวียนเชื้อเพลิงที่ได้นั้นสามารถจัดเก็บได้ในระยะยาวและยังสามารถแจกจ่ายหรือบริโภคได้ โดยปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นของเสียหลัก ซึ่งจะถูกดักจับและป้อนกลับไปยังเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดวงจรนอกจากนี้ วัตถุดิบตั้งต้นเคมีโมเลกุลขนาดเล็กที่ได้ผลลัพธ์ (เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และรูปแบบ) จาก ECR ยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการสังเคราะห์ทางเคมีที่ซับซ้อนมากขึ้นได้

เชื้อเพลิงและสารเคมีสามารถทำได้จาก ECR ที่มีวัฏจักรคาร์บอนปิดที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม และพลังน้ำวิศวกรรมเซลล์และวิศวกรรมตัวเร่งปฏิกิริยามีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการคัดเลือก กิจกรรม และประสิทธิภาพของการแปลง CO2 เป็นผลิตภัณฑ์ C2+ ที่มีมูลค่าเพิ่มซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง

อย่างไรก็ตาม CO2 นั้นเป็นโมเลกุลเชิงเส้นที่ค่อนข้างเสถียรโดยมีพันธะ C√O ที่แข็งแกร่ง (750 kJ mol−1) (14) ซึ่งทำให้การแปลงเคมีไฟฟ้าทำได้ยากดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีอุปสรรคในการเปิดใช้งานสูง ซึ่งในทางกลับกันจะนำไปสู่ศักยภาพที่สูงเกินอย่างมีนัยสำคัญ (15)นอกจากนี้ ECR ในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำยังเกี่ยวข้องกับกระบวนการถ่ายโอนหลายอิเล็กตรอน/โปรตอนร่วมกับสารตัวกลางปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่เป็นไปได้ (16–18) ทำให้เกิดความซับซ้อนสูงตารางที่ 1 สรุปปฏิกิริยาทางอุณหพลศาสตร์เคมีไฟฟ้าครึ่งหนึ่งของผลิตภัณฑ์ ECR หลัก ซึ่งรวมถึง CO มีเทน (CH4) เมทานอล (CH3OH) กรดฟอร์มิก (HCOOH) เอทิลีน (C2H4) เอทานอล (CH3CH2OH) และอื่นๆ ร่วมกับปฏิกิริยาของพวกเขา ศักย์รีดอกซ์มาตรฐานที่สอดคล้องกัน (19)โดยทั่วไป ในระหว่างกระบวนการ ECR โมเลกุลของ CO2 ได้รับการดูดซับและทำปฏิกิริยากับอะตอมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนเพื่อให้เกิดเป็น *CO2− ตามด้วยการถ่ายโอนโปรตอนและ/หรืออิเล็กตรอนแบบขั้นตอนต่างๆ ไปยังผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่แตกต่างกันตัวอย่างเช่น เชื่อว่า CH4 ก่อตัวผ่านวิถีทางต่อไปนี้: CO2 → *COOH → *CO → *CHO → *CH2O → *CH3O → CH4 + *O → CH4 + *OH → CH4 + H2O (20)

รูปที่ 2A สรุปประสิทธิภาพของ Faradaic (FE) ภายใต้อัตราการผลิตที่แตกต่างกัน (ความหนาแน่นกระแส) สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ECR ที่รายงาน ซึ่งแสดงถึงการเลือกผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา (21–43)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่ล้ำสมัยสามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็นผลิตภัณฑ์ C1 (CO หรือรูปแบบ) โดยมี FE มากกว่า 95% ภายใต้อัตราการผลิตที่สูง (>20 mA cm−2 สำหรับเซลล์ประเภท H และ >100 mA cm− 2 สำหรับโฟลว์เซลล์) (9, 21, 22, 25, 28, 44, 45), การคัดเลือกอย่างสูง (>90%) และการผลิตสารเคมีมัลติคาร์บอน (C2+) ที่มีอยู่มากขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพยังไม่เกิดขึ้นจริงนี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการเชื่อมต่อกับผลิตภัณฑ์ C2+ จำเป็นต้องมีการมาถึงและการดูดซับของโมเลกุล CO2 หลายตัวลงสู่พื้นผิว การเปลี่ยนแปลงแบบขั้นตอน และการวางตำแหน่งเชิงพื้นที่ (13)โดยเจาะจงดังที่แสดงในรูปที่ 2B ปฏิกิริยาที่ตามมาของสารตัวกลาง *CO จะกำหนดผลิตภัณฑ์ C2+ สุดท้ายของ ECRโดยทั่วไป C2H6 และ CH3COO− มีสารตัวกลาง *CH2 เหมือนกัน ซึ่งถูกสร้างขึ้นจากขั้นตอนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนคู่โปรตอนของ *COการโปรตอนเพิ่มเติมของ *CH2 จะให้ *CH3 ตัวกลาง ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของ C2H6 โดยการลดขนาด *CH3ต่างจากรุ่น C2H6 ตรงที่ CH3COO− เกิดจากการแทรก CO เข้าไปใน *CH2การลดขนาด *CO เป็นขั้นตอนการกำหนดอัตราสำหรับการก่อตัวของ C2H4, CH3CH2OH และ n-โพรพานอล (n-C3H7OH)หลังจากขั้นตอนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและโปรตอนต่อเนื่องกัน ชุดไดเมอร์ *CO─CO จะสร้างสารตัวกลาง *CH2CHO ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้นตอนการพิจารณาการเลือกสำหรับ C2H4 และ C2H5OHนอกจากนี้ ยังพบว่าการลด *CH2CHO ไปเป็น C2H4 มีอุปสรรคด้านพลังงานต่ำกว่าการเปลี่ยน *CH3CHO ไปเป็น C2H5OH (46) ซึ่งอาจอธิบายค่า FE ที่สูงกว่าสำหรับ C2H4 มากกว่า C2H5OH บนตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงส่วนใหญ่นอกจากนี้ สารมัธยันตร์ C2 ที่ถูกทำให้เสถียรสามารถถ่ายโอนไปยัง n-C3H7OH ผ่านการแทรก COเส้นทางปฏิกิริยาที่ซับซ้อนและควบคุมไม่ได้ในระหว่างการก่อตัวของสารเคมี C2+ สาเหตุหลักมาจากการเรียงสับเปลี่ยนที่มากขึ้นไปยังตำแหน่งโปรตอน พร้อมกับการมีส่วนร่วมที่เป็นไปได้ของขั้นตอนที่ไม่ใช่เคมีไฟฟ้า (19, 47)ด้วยเหตุนี้ การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่คัดเลือกมาอย่างดีจึงเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2+ เฉพาะเจาะจงที่ให้ผลผลิตสูงในการทบทวนนี้ เรามุ่งหวังที่จะเน้นความคืบหน้าล่าสุดเกี่ยวกับกลยุทธ์ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2+ แบบคัดเลือกผ่าน ECRนอกจากนี้เรายังจัดให้มีการสรุปความเข้าใจกลไกที่เกี่ยวข้องอีกด้วยการออกแบบอิเล็กโทรดและเครื่องปฏิกรณ์จะเน้นย้ำเพื่อแสดงให้เห็นว่า ECR มีประสิทธิภาพ มีเสถียรภาพ และมีขนาดใหญ่ได้อย่างไรนอกจากนี้ เราจะหารือเกี่ยวกับความท้าทายที่เหลืออยู่และโอกาสในอนาคตสำหรับการแปลงเคมีไฟฟ้าของ CO2 ให้เป็นสารเคมี C2+ ที่มีมูลค่าเพิ่ม

( A ) FE ภายใต้อัตราการผลิตที่แตกต่างกัน (ความหนาแน่นกระแส) สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า ECR ที่รายงาน (21–43, 130)(B) วิถีทาง C2+ ที่เป็นไปได้มากที่สุดระหว่าง ECRทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (47)

การเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าของ CO2 ไปเป็นเชื้อเพลิงเคมีและวัตถุดิบตั้งต้นเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพในการบรรลุวงจรพลังงานคาร์บอนเป็นกลาง (11)อย่างไรก็ตาม FE ของผลิตภัณฑ์ C2+ ยังห่างไกลจากการใช้งานจริง โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ล้ำสมัยช่วยให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ C2 ที่มีประมาณ 60% FE (13, 33) ในขณะที่การผลิต C3 ถูกจำกัดไว้ที่น้อยกว่า 10% เฟอี (48, 49)การมีเพศสัมพันธ์แบบลดลงของผลิตภัณฑ์ CO2 ถึง C2+ ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันพร้อมคุณสมบัติทางสัณฐานวิทยาและอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการประสานงานกันสูง (50, 51)พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจำเป็นต้องทำลายความสัมพันธ์ของการปรับขนาดระหว่างตัวกลาง (47, 52, 53)ยิ่งไปกว่านั้น เพื่อให้เกิดพันธะ C─C ตัวกลางปฏิกิริยาที่ถูกดูดซับที่พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องอยู่ใกล้กันนอกจากนี้ วิถีทางจากตัวกลางที่ถูกดูดซับในตอนแรกไปยังผลิตภัณฑ์ C2+ เฉพาะเจาะจงจำเป็นต้องได้รับการควบคุมอย่างดี เนื่องจากขั้นตอนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่ได้รับความช่วยเหลือจากโปรตอนหลายขั้นตอนเมื่อพิจารณาถึงความซับซ้อนสูงของการลด CO2 ที่มีต่อผลิตภัณฑ์ C2+ ควรปรับแต่งตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าอย่างระมัดระวังเพื่อเพิ่มการคัดเลือกตามสายพันธุ์ขั้นกลางและองค์ประกอบทางเคมี เราจัดหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ C2+ ออกเป็นไฮโดรคาร์บอนหลายคาร์บอนและออกซิเจน (4, 54)ในการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการผลิตโมเลกุล C2 + เฉพาะ กลยุทธ์การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาหลายประการ เช่น การเติมเฮเทอโรอะตอม การควบคุมด้านคริสตัล โลหะผสม / การแยกตัว การปรับสถานะออกซิเดชัน และการควบคุมลิแกนด์พื้นผิว ได้รับการสาธิตแล้ว (35, 41, 55–61) .การออกแบบที่เหมาะสมควรพิจารณาถึงผลกระทบที่กล่าวมาข้างต้นอย่างมีเหตุผลและเพิ่มประโยชน์สูงสุดมิฉะนั้น การทำความเข้าใจว่าแรงจูงใจของไซต์แอคทีฟใดที่นำไปสู่พฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเอกลักษณ์ดังกล่าวอาจช่วยส่องสว่างในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่แม่นยำสำหรับการมีเพศสัมพันธ์ C─Cดังนั้น วิธีการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยา ECR สำหรับผลิตภัณฑ์เฉพาะ (ไฮโดรคาร์บอนหลายคาร์บอนและออกซิเจน) และกลไกที่เกี่ยวข้องจะกล่าวถึงในส่วนนี้

ไฮโดรคาร์บอน C2+ เช่น C2H4 เป็นสารเคมีที่เชื่อมโยงสำหรับอุตสาหกรรมเคมีหลายประเภท เช่น การผลิตโพลีเอทิลีน (62, 63)นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในการเชื่อมหรือส่วนผสมในก๊าซธรรมชาติได้โดยตรง (12)การเติมไฮโดรเจนของ CO (การสังเคราะห์ Fischer-Tropsch) และ CO2 ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไฮโดรคาร์บอน C2+ มาเป็นเวลานานในระดับอุตสาหกรรม แต่ถูกท้าทายจากการใช้พลังงานที่สูงและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม (64)ในทางตรงกันข้าม การลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยไฟฟ้าเคมีโดยใช้พลังงานหมุนเวียนทำให้เส้นทางสะอาดและยั่งยืนมากขึ้นมีความพยายามอย่างมากในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพไปสู่ไฮโดรคาร์บอน C2+ (32, 33, 65–70)

ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าแบบ Bimetallic ได้รับการตรวจสอบอย่างกว้างขวางเพื่อทำลายความสัมพันธ์ของการปรับขนาดระหว่างการแปลง CO2 ด้วยเคมีไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำให้คีย์กลางมีความเสถียรและลดศักยภาพที่สูงเกินไป และในทางกลับกัน เพิ่มการเลือก (71–74)ในขณะที่ชุดวัสดุโลหะผสมซึ่งรวมถึง Au-Cu, Ag-Cu, Au-Pd และ Cu-Pt ได้รับการสาธิตสำหรับการผลิต C1 ที่มีประสิทธิภาพสูงโดยการรักษาเสถียรภาพของสารตัวกลางที่สำคัญ (73, 75) แต่ผลของโลหะผสมต่อการก่อตัวของไฮโดรคาร์บอน C2+ ดูเหมือนว่า มีความซับซ้อนมากขึ้น (76)ตัวอย่างเช่น ในระบบไบเมทัลลิก Cu-Ag สามารถควบคุมการกระจายผลิตภัณฑ์ได้อย่างง่ายดายโดยการปรับอัตราส่วนอะตอมของพื้นผิวของ Ag และ Cu (77)ตัวอย่างที่อุดมด้วย Cu ที่พื้นผิวเป็นที่ต้องการสำหรับการผลิตไฮโดรคาร์บอน ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ของพื้นผิวที่อุดมด้วย Ag นั้นจะถูกควบคุมโดย CO ซึ่งเน้นถึงความสำคัญของอัตราส่วนอะตอมสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ECR แบบผสมผลกระทบทางเรขาคณิตที่เกิดจากการจัดเรียงอะตอมเฉพาะที่อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความแข็งแรงในการยึดเกาะของตัวกลางGewirth และเพื่อนร่วมงาน (36) แสดงให้เห็นว่าโลหะผสม Cu-Ag จากตำแหน่งอิเล็กโทรดที่ควบคุมด้วยสารเติมแต่งแสดง ~ 60% FE สำหรับ C2H4 ในอิเล็กโทรไลเซอร์แบบอัลคาไลน์ (รูปที่ 3, A และ B)ในกรณีนี้ การเลือก C2H4 ที่เหมาะสมที่สุดสามารถทำได้โดยสัณฐานวิทยาและการปรับโหลด Agเชื่อกันว่าไซต์ Ag มีบทบาทเป็นผู้สนับสนุนการก่อตัวของ CO ในช่วง ECRจากนั้น ความพร้อมใช้งานที่เหมาะสมที่สุดของตัวกลาง CO สามารถช่วยให้การเชื่อมต่อ C─C ใน Cu ที่อยู่ใกล้เคียงนอกจากนี้ Ag ยังสามารถส่งเสริมการก่อตัวของ Cu2O ในระหว่างการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา Cu-Ag (รูปที่ 3C) ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิต C2H4 ดีขึ้นการทำงานร่วมกันนี้เปิดโอกาสใหม่ในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาคัปปลิ้ง C─Cนอกจากนี้ รูปแบบการผสมของโลหะชนิดต่างๆ ในระบบโลหะผสมยังสามารถกำหนดการกระจายตัวของผลิตภัณฑ์ ECR ได้อีกด้วยการใช้โลหะผสม Pd-Cu เป็นตัวอย่าง (รูปที่ 3 มิติ) Kenis และเพื่อนร่วมงาน (71) แสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยา Pd-Cu ที่แยกเฟสสามารถให้การเลือกสูงสุด (~ 50%) สำหรับ C2H4 เมื่อเปรียบเทียบกับที่สั่งและไม่เป็นระเบียบ คู่หูตามทฤษฎี d-band โดยทั่วไป โลหะทรานซิชันที่มีจุดศูนย์กลาง d-band ต่ำกว่าจะแสดงการจับที่อ่อนแอกว่าของ in situ ที่สร้างตัวกลางบนพื้นผิวโลหะ (78)ในขณะที่โลหะผสม Pd-Cu ที่แยกเฟสแสดงการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาและกิจกรรมที่คล้ายกันสำหรับ CO ด้วยอนุภาคนาโน Cu (NPs) แต่ก็ให้ความแข็งแรงในการยึดเกาะที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงต่อตัวกลางโดยการปรับ Pdดังที่แสดงในรูปที่ 3E โลหะผสม Cu-Pd ที่แยกเฟสแสดงจุดศูนย์กลาง d-band ที่อยู่ต่ำที่สุด ในขณะที่ Cu NP นั้นสูงที่สุดแสดงให้เห็นว่าโลหะผสม Cu-Pd ที่แยกเฟสมีความแข็งแรงในการยึดเกาะต่ำที่สุดสำหรับสารตัวกลาง COการสังเกตนี้บอกเป็นนัยว่าผลกระทบทางเรขาคณิตและโครงสร้างอาจมีบทบาทมากกว่าผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์ในการปรับปรุงการเลือกใช้ไฮโดรคาร์บอนในตัวเรือนโลหะผสม Cu-Pd ที่แยกเฟสในปัจจุบัน เฉพาะทองแดงบริสุทธิ์หรือโลหะผสมที่มีทองแดงเท่านั้นที่แสดงความสามารถในการเลือกสรรและกิจกรรมที่เหนือกว่าสำหรับการลดเคมีไฟฟ้าของ CO2 ถึง C2+ ไฮโดรคาร์บอนดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าใหม่สำหรับการผลิตไฮโดรคาร์บอน C2+ จาก ECRการศึกษาเบื้องต้นได้รับแรงบันดาลใจจากการไฮโดรจิเนชันของคาร์บอนไดออกไซด์ แสดงให้เห็นว่าโลหะผสม Ni-Ga ที่มีเฟสต่างกันสามารถนำมาใช้ในการสร้าง C2H4 ได้ (79)แสดงให้เห็นว่าฟิล์ม Ni5Ga3 สามารถลด CO2 ให้เป็น C2H4 และอีเทน (C2H6)แม้ว่า FE ที่มีต่อ C2+ ไฮโดรคาร์บอนจะน้อยกว่า 5% แต่ก็อาจเปิดบรรทัดใหม่สำหรับการคัดกรองด้วยไฟฟ้าไปยังข้อต่อ C─C โดยขึ้นอยู่กับผลของโลหะผสม

(A ถึง C) ตัวเร่งปฏิกิริยา Cu-Ag bimetallic ประดิษฐ์โดยการวางตำแหน่งอิเล็กโทรดที่ควบคุมด้วยสารเติมแต่ง: (A) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของลวด Cu, โพลี Cu-Ag และลวด Cu-Ag และ (B) C2H4 FE ที่สอดคล้องกัน(C) EXAFS แสดงให้เห็นว่าลวด Cu-Ag ถูกผสมให้เป็นเนื้อเดียวกันและมี Cu(I) ออกไซด์ปรากฏอยู่(A) ถึง (C) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (36)(D และ E) ตัวเร่งปฏิกิริยา Cu-Pd ที่มีรูปแบบการผสมที่แตกต่างกัน: (D) ภาพประกอบ, ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) และแผนที่องค์ประกอบสเปกโทรสโกปีการกระจายพลังงานของโลหะผสม Cu-Pd ที่เรียงลำดับ ไม่เป็นระเบียบ และแยกเฟส และ (E ) สเปกตรัมการปล่อยแสงของแถบวาเลนซ์พื้นผิวและศูนย์กลาง d-band (เส้นแนวตั้ง) ของโลหะผสม Cu-Pd ที่สัมพันธ์กับระดับ Fermi(D) และ (E) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (71)au, หน่วยตามอำเภอใจ

นอกจากผลกระทบของโลหะผสมแล้ว การจัดการกับสถานะออกซิเดชันยังเป็นหลักการสำคัญอีกประการหนึ่งในการปรับแต่งประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ซึ่งอาจส่งผลต่อโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ในท้องถิ่นของวัสดุตัวอย่างแรกสำหรับการปรับสถานะออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการใช้วัสดุที่ได้มาจากออกไซด์สายพันธุ์ออกซิเจนที่ตกค้างบนพื้นผิวหรือใต้พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาหลังจากการลดในแหล่งกำเนิด สามารถควบคุมสถานะออกซิเดชันของศูนย์กลางโลหะได้ตัวอย่างเช่น Cu+ ที่ถูกออกซิไดซ์ในพลาสมาแสดงความสามารถในการเลือกสรรต่อ C2H4 มากกว่า 60% ซึ่งถูกกำหนดให้เป็น Cu+ ที่ต้านทานรีดักชัน (37)เพื่อยืนยันว่า Cu+ เป็นพารามิเตอร์หลักสำหรับการเลือกเอทิลีนสูง เราทำการทดลองควบคุมโดยใช้พลาสมาที่แตกต่างกัน (รูปที่ 4A)สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์แบบแข็งในแหล่งกำเนิด ยังแสดงให้เห็นอีกว่าออกไซด์ที่ตกค้างในชั้นผิว (ย่อย) มีความเสถียรต่อสภาวะรีดักชัน โดยจะมีสายพันธุ์ Cu+ จำนวนมากที่เหลืออยู่หลังจากการรีดักชันเป็นเวลา 1 ชั่วโมงที่ศักยภาพค่อนข้างสูงที่ −1.2 V เมื่อเทียบกับแบบย้อนกลับได้ อิเล็กโทรดไฮโดรเจน (RHE)นอกจากนี้ การเปลี่ยนตำแหน่งด้วยไฟฟ้าของทองแดงจากคอปเปอร์ออกซีคลอไรด์ของโซลเจลได้รับการตรวจสอบอีกครั้งว่าสายพันธุ์ Cu+ บนพื้นผิวที่มีความเสถียรสามารถปรับปรุงการเลือกของ C2H4 ได้ (61)สถานะออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงภายใต้ศักย์ไฟฟ้าที่ใช้ที่แตกต่างกันถูกติดตามโดยใช้สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์แบบอ่อนที่แก้ไขตามเวลาในแหล่งกำเนิดขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงเริ่มต้นจาก Cu2+ เป็น Cu+ นั้นรวดเร็วมากอย่างไรก็ตาม การลดเคมีไฟฟ้าของสายพันธุ์ Cu+ ต่อไปเป็น Cu0 นั้นช้ากว่ามากประมาณ 23% ของสายพันธุ์ Cu + ยังคงอยู่แม้ว่าจะลดลงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 1 ชั่วโมงภายใต้ −1.2 V เมื่อเทียบกับ RHE (รูปที่ 4B)การศึกษาเชิงกลไกเปิดเผยว่าส่วนต่อประสานระหว่าง Cu+ และ Cu0 ทำให้เกิดแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างตัวกลางเนื่องจากอะตอม C ของ *CO@Cu+ มีประจุเป็นบวก ในขณะที่อะตอมของ *CO@Cu0 มีประจุลบ (80) ซึ่งในทางกลับกัน จะส่งเสริม การก่อตัวของพันธะ C─C จึงทำให้เกิดไฮโดรคาร์บอน C2+นอกจากวัสดุที่ได้มาจากออกไซด์แล้ว คอปเปอร์ไนไตรด์ (Cu3N) ยังถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้สายพันธุ์ Cu+ ที่พื้นผิว (ย่อย) เพื่อลดอุปสรรคพลังงานในการลดขนาดของ *CO (81)นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับ Cu ที่ได้มาจากออกไซด์แล้ว สายพันธุ์ Cu+ ที่ได้มาจาก Cu3N ยังมีความเสถียรมากกว่า (รูปที่ 4C)ด้วยเหตุนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ได้มาจากไนไตรด์จึงมี FE อยู่ที่ 39 ± 2% สำหรับ C2H4 ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่า Cu บริสุทธิ์ (~23%) และ Cu ที่ได้มาจากออกไซด์ (~28%)คล้ายคลึงกับระบบเร่งปฏิกิริยา Cu+/Cu ที่กล่าวมาข้างต้น โบรอนถูกใช้เป็นสารเจือปนเฮเทอโรอะตอมเพื่อแนะนำและทำให้ Cuδ+ เสถียร (41)สถานะออกซิเดชันเฉลี่ยของทองแดงสามารถควบคุมได้ตั้งแต่ +0.25 ถึง +0.78 โดยการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารเจือปนโบรอนความหนาแน่นที่คาดการณ์ไว้ของรัฐแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนถ่ายโอนจากทองแดงไปยังโบรอน นำไปสู่ตำแหน่งทองแดงที่มีประจุบวกที่เกิดจากสารเจือปนทองแดงที่เจือด้วยโบรอนแสดงพลังงานการก่อตัวที่เพิ่มขึ้นของสารตัวกลาง *CHO และด้วยเหตุนี้ จึงระงับวิถีการเกิดปฏิกิริยาไปยังผลิตภัณฑ์ C1นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกต่อไฮโดรคาร์บอนหลายคาร์บอนโดยการลดพลังงานปฏิกิริยาไดเมอไรเซชัน *CO (รูปที่ 4D)ด้วยการปรับสถานะออกซิเดชันที่พื้นผิวโดยเฉลี่ยของทองแดงให้เหมาะสม จะทำให้ C2 FE สูงถึง ~80% และ ~53% C2H4 สามารถทำได้ภายใต้สถานะออกซิเดชันของทองแดงโดยเฉลี่ยที่ +0.35 (รูปที่ 4E)จนถึงปัจจุบัน ไซต์ที่ใช้งานบนทองแดงได้รับการระบุเป็น Cu0, Cuδ+ และ/หรืออินเทอร์เฟซสำหรับ ECR ในการศึกษาที่แตกต่างกัน (39, 41, 42, 81, 82)อย่างไรก็ตาม ไซต์ที่ใช้งานอยู่คืออะไรยังคงถูกถกเถียงกันอยู่ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาCuδ + ที่เกิดจากเฮเทอโรอะตอมได้รับการแสดงให้เห็นว่ามีฤทธิ์อย่างมากสำหรับ ECR ไปยังผลิตภัณฑ์ C2 + แต่ควรพิจารณาผลเสริมฤทธิ์กันจากข้อบกพร่องและอินเทอร์เฟซที่สร้างขึ้นพร้อมกันดังนั้น ควรพัฒนาลักษณะเฉพาะของโอเปอรันโดอย่างเป็นระบบเพื่อระบุจุดศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่บนพื้นผิวทองแดง และตรวจสอบศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงแหล่งกำเนิด ของบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาภายใต้สภาวะของปฏิกิริยานอกจากนี้ ความเสถียรของทองแดงที่มีประจุบวกยังเป็นข้อกังวลอีกประการหนึ่งภายใต้สภาวะการลดเคมีไฟฟ้าวิธีสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไซต์ Cuδ+ ที่เสถียรยังคงเป็นเรื่องท้าทาย

( A ) สรุปการเลือก C2H4 ของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่กระตุ้นด้วยพลาสมาต่างๆทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (37)สเกลบาร์ 500 นาโนเมตร( B ) อัตราส่วนของสถานะออกซิเดชันของ Cu สัมพันธ์กับเวลาปฏิกิริยาที่ −1.2 V เทียบกับ RHE ในทองแดงที่เติมด้วยไฟฟ้าทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (61)( C ) อัตราส่วนของสปีชีส์ Cu + พร้อมฟังก์ชันเวลาตอบสนองที่ −0.95 V เทียบกับ RHE ใน Cu-on-Cu3N หรือ Cu-on-Cu2Oทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (81)(D) การเติมโบรอนสามารถเปลี่ยนพลังงานการดูดซับเฉลี่ยของ CO ในพื้นผิวทองแดง และลดพลังงานการลดขนาด CO─CO1[B], 2[B], 3[B], 4[B] และ 8[B] หมายถึงความเข้มข้นของการเติมโบรอนใต้ผิวดินในตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดง ซึ่งได้แก่ 1/16, 1/8, 3/ 16, 1/4 และ 1/2 ตามลำดับ(E) ความสัมพันธ์ระหว่างสถานะออกซิเดชันและ FE ของผลิตภัณฑ์ C2 หรือ C1 ในตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่เจือด้วยโบรอน(D) และ (E) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (41)(F) ภาพ SEM ของฟอยล์ทองแดงที่มีความหนาต่างกันของฟิล์ม Cu2O ก่อน (บน) และหลัง (ล่าง) ECRทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (83)

นอกเหนือจากโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์แล้ว วัสดุที่ได้มาจากออกไซด์ยังสามารถนำไปสู่สัณฐานวิทยาหรือวิวัฒนาการของโครงสร้างในระหว่างกระบวนการลดในแหล่งกำเนิดจากมุมมองของสัณฐานวิทยาหรือโครงสร้าง ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่ได้มาจากออกไซด์นั้นมีสาเหตุมาจากการก่อตัวของขอบเขตขอบและขั้นตอนของเกรนที่ใช้งานอยู่ (83–85)Yeo และเพื่อนร่วมงาน (83) รายงานการเลือกคัปปลิ้ง C─C บนฟิล์ม Cu2O ที่ถูกขั้วไฟฟ้าซึ่งมีความหนาต่างกัน (รูปที่ 4F)ในแหล่งกำเนิดรามานสเปกโทรสโกปีเผยให้เห็นว่าพื้นผิวของฟิล์ม Cu2O ลดลงเหลือ Cu0 โลหะที่เสถียรระหว่าง ECR (83)ด้วยเหตุนี้ โลหะ Cu0 จึงได้รับการยืนยันว่าเป็นศูนย์กลางของตัวเร่งปฏิกิริยา แทนที่จะเป็นสายพันธุ์ Cu+ หรือส่วนต่อประสาน Cu+/Cu0ในกระบวนการลด Cu2O ให้เป็น Cu0 โลหะ พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยามีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นขั้น ขอบ และขั้นบันได ในแหล่งกำเนิดชี้ให้เห็นว่าขั้นบันไดและขอบที่ขึ้นรูปนั้นมีความว่องไวมากกว่าขั้นบันได ซึ่งเกิดจากการจับกันที่แน่นหนากับ *CO ซึ่งสามารถเติมไฮโดรเจน *CO เป็น *CHO หรือ *CH2O ได้นอกจากนี้ อะตอม Edge Cu ยังเป็นโปรโมเตอร์ในการเพิ่มการเกิด *CHO และ *CH2Oงานก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นว่าตัวกลาง * CHO และ * CH2O เป็นที่นิยมสำหรับการมีเพศสัมพันธ์ C─C มากกว่า * CO ในจลนศาสตร์ (86)โดยการควบคุมสัณฐานวิทยาของพื้นผิว พลังงานการดูดซับทางเคมีของสารตัวกลาง *CHO และ *CH2O สามารถปรับให้เหมาะสมได้ในการศึกษานี้ ผู้เขียนพบว่า FE ของ C2H4 ลดลงจาก 40 เป็น 22% เมื่อเพิ่มความหนาของฟิล์มบาง Cu2O จาก 0.9 เป็น 8.8 μmเนื่องจากความเข้มข้นของ Cu ที่มีการประสานงานต่ำซึ่งเพิ่มขึ้นตามความหนาของ Cu2O ที่เพิ่มขึ้นอะตอมที่ไม่ประสานกันเหล่านี้สามารถจับกับ H ได้อย่างมาก ดังนั้นจึงเป็นที่นิยมสำหรับการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนมากกว่าการมีเพศสัมพันธ์ของ C─Cงานนี้แสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ได้มาจากออกไซด์สามารถเพิ่มความสามารถในการเลือกสรรของ C2H4 ได้อย่างมีนัยสำคัญผ่านการสร้างสัณฐานวิทยาของพื้นผิวใหม่ แทนที่จะแนะนำสายพันธุ์ Cuδ+ ที่มีประจุการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้มาจากออกไซด์ ทำให้อีเทน (C2H6) ได้รับการคัดเลือกโดยใช้สารเติมแต่งแพลเลเดียม (II) คลอไรด์ (PdCl2) ในอิเล็กโทรไลต์ (34)มันแสดงให้เห็นว่า PdClx ที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวของ Cu ที่ได้มาจาก Cu2O มีบทบาทสำคัญในวิวัฒนาการของ C2H6โดยเฉพาะอย่างยิ่ง CO2 ถูกรีดิวซ์เป็น C2H4 ในตอนแรกที่ตำแหน่ง Cu2O ที่ได้มาจากแอคทีฟ Cu และจากนั้น C2H4 ที่ก่อตัวขึ้นจะถูกเติมไฮโดรเจนด้วยความช่วยเหลือของ PdClx ที่ถูกดูดซับเพื่อผลิต C2H6FE ของ C2H6 เพิ่มขึ้นจาก <1 เป็น 30.1% ด้วยความช่วยเหลือของ PdCl2งานนี้ชี้ให้เห็นว่าการรวมกันของตัวเร่งปฏิกิริยา ECR ที่กำหนดไว้อย่างดีและสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์อาจเปิดโอกาสใหม่สำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2+ ที่เฉพาะเจาะจง

การควบคุมทางสัณฐานวิทยาและ/หรือโครงสร้างเป็นอีกกลยุทธ์ทางเลือกในการปรับการเลือกและกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาการควบคุมขนาด รูปร่าง และด้านที่สัมผัสของตัวเร่งปฏิกิริยาได้รับการแสดงให้เห็นอย่างกว้างขวางในการปรับปรุงประสิทธิภาพของ ECR (58, 87, 88)ตัวอย่างเช่น แง่มุม Cu(100) เป็นที่นิยมโดยเนื้อแท้สำหรับการสร้าง C2H4 ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ที่โดดเด่นจากตัวเร่งปฏิกิริยา Cu(111) คือมีเทน (CH4) (87)ในการศึกษานาโนคริสตัล Cu ที่มีรูปร่างและขนาดต่างๆ Buonsanti และเพื่อนร่วมงาน (58) เผยให้เห็นการพึ่งพาขนาดที่ไม่ใช่โมโนโทนิกของการเลือก C2H4 ในนาโนคริสตัลทองแดงรูปลูกบาศก์ (รูปที่ 5A)โดยภายในแล้ว นาโนคริสตัลลูกบาศก์ Cu แสดงกิจกรรมของ C2H4 และความสามารถในการคัดเลือกที่สูงกว่านาโนคริสตัล Cu ทรงกลม เนื่องจากความเด่นของด้าน (100)ขนาดผลึกที่เล็กกว่าของลูกบาศก์ Cu สามารถให้ฤทธิ์ได้สูงกว่า เนื่องจากความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นของบริเวณพื้นผิวที่มีการประสานกันต่ำ เช่น มุม ขั้นบันได และข้องออย่างไรก็ตาม การดูดซับทางเคมีที่แข็งแกร่งกว่าของบริเวณที่มีการประสานงานต่ำนั้นมาพร้อมกับการเลือก H2 และ CO ที่สูงขึ้น ส่งผลให้ไฮโดรคาร์บอน FE โดยรวมลดลงในทางกลับกัน อัตราส่วนของไซต์ขอบต่อไซต์ระนาบลดลงตามขนาดอนุภาคที่เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของการผลิต C2H4 ด้วยเช่นกันผู้เขียนแสดงให้เห็นว่าทองแดงนาโนคิวบ์ขนาดกลางที่มีความยาวขอบ 44 นาโนเมตรแสดงความสามารถในการเลือก C2H4 สูงสุดเนื่องจากความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างขนาดอนุภาคและความหนาแน่นของบริเวณขอบนอกจากนี้ สัณฐานวิทยายังสามารถส่งผลต่อ pH ในท้องถิ่นและการขนส่งมวลชนระหว่าง ECRมันแสดงให้เห็นว่าค่า pH ในท้องถิ่นที่สูงในบริเวณใกล้เคียงกับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเกิดจาก ในแหล่งกำเนิด ที่สร้าง OH− ยับยั้งวิถีการเกิดปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับโปรตอนตามผลลัพธ์ การสร้าง C2+ ไฮโดรคาร์บอนผ่าน *CO ไดเมอไรเซชันสามารถเพิ่มขึ้นได้ และ CH4 ที่ก่อรูปผ่านสารมัธยันตร์ *COH อาจถูกยับยั้งอาร์เรย์ลวดนาโนทองแดง (รูปที่ 5B) ได้รับการสาธิตเพื่อให้ค่า pH ในพื้นที่เพิ่มขึ้น (68)เนื่องจากสารละลายโพแทสเซียมไบคาร์บอเนตอิ่มตัว (KHCO3) เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้กันทั่วไป จะทำให้ OH− ในท้องถิ่นเป็นกลาง (HCO3− + OH− = CO32− + H2O) อย่างรวดเร็ว และลด pH ในท้องถิ่นลงด้วยโครงสร้างจุลภาคที่ยาวขึ้น การแพร่กระจายของ HCO3− ไปยังอาร์เรย์ Cu ​​nanowire สามารถถูกทำลายได้ ดังนั้นผลการวางตัวเป็นกลางของ OH− ในพื้นที่จะถูกระงับในระดับหนึ่งบนพื้นฐานหลักการที่คล้ายกัน ตาข่ายทองแดงที่มีเมโซพอร์ควบคุมอย่างแม่นยำ (รูปที่ 5C) แสดงให้เห็น FE ที่ปรับปรุงแล้วสำหรับการผลิต C2H4 หรือ C2H6 (32)มันแสดงให้เห็นว่าค่า pH เฉพาะที่ในพื้นผิวอิเล็กโทรดสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดความกว้างของรูพรุน ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ C1 FE ลดลง และผลิตภัณฑ์ C2 FE ที่ได้รับการปรับปรุงนอกจากนี้ ด้วยการเพิ่มความลึกของรูพรุน ผลิตภัณฑ์ลดขนาดหลักสามารถปรับได้จาก C2H4 เป็น C2H6FE ของ C2H6 สูงถึง 46%เนื่องจากสารเคมีถูกจำกัดอยู่ในรูขุมขนระหว่าง ECR จึงมีการอธิบายเวลาการเก็บรักษาที่ยาวนานของตัวกลางหลักที่เกิดจากรูขุมขนที่ลึกกว่า ซึ่งเป็นเหตุผลหลักสำหรับการเลือกสูงต่อไฮโดรคาร์บอน C2 อิ่มตัวCu nanofibers ที่ได้มาจาก CuI ยังแสดงความสามารถในการคัดเลือกสูงต่อ C2H6 (FE = 30% ที่ −0.735 V เทียบกับ RHE) (89)สัณฐานวิทยาแบบแอนไอโซทรอปิกและความขรุขระของพื้นผิวสูงของเส้นใยนาโน Cu ที่ได้มาจาก CuI สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการดักจับของ H2 ที่ถูกดูดซับ และทำให้ FE ของ C2H6 เพิ่มขึ้น

(A ถึง C) สัณฐานวิทยาหรือผลกระทบของโครงสร้าง(A) ความหนาแน่นของอะตอม (แกนซ้าย) และอัตราส่วนของอะตอมที่บริเวณขอบ (Nedge) ต่ออะตอมบนระนาบ (100) (N100) (แกนขวา) ซึ่งสัมพันธ์กับความยาวขอบ (d)ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley and Sons (58)(B) โครงร่างทางสัณฐานวิทยาทำให้ค่า pH เปลี่ยนแปลงทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley and Sons (68)(C) การเลือกผลิตภัณฑ์ของทองแดง mesopore ที่มีขนาดรูพรุนและความลึกต่างกันทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley and Sons (32)(D ถึง H) ผลกระทบของลิแกนด์(D และ E) ECR บนเส้นลวดทองแดงนาโน (Cu NW) ที่มีกรดอะมิโน (D) หรือตัวดัดแปลง (E) ชนิดต่างๆ ที่ −1.9 V. ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Royal Society of Chemistry (35)(F) อัตราการผลิตของ C2H4 ในอิเล็กโทรไลต์เฮไลด์ที่แตกต่างกันซึ่งมีศักยภาพในการดูดซับต่างกันบน Cu(35)ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (91)NHE อิเล็กโทรดไฮโดรเจนปกติ(G) FE ของ C2H4 และ CO ในอิเล็กโทรไลต์ KOH ที่มีความเข้มข้นต่างกัน และ (H) ความชัน Tafel ของ C2H4 ในอิเล็กโทรไลต์ KOH ที่มีความเข้มข้นต่างกัน(G) และ (H) ทำซ้ำจากสมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ (AAAS) (33)

การปรับเปลี่ยนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้โมเลกุลขนาดเล็กเป็นอีกกลยุทธ์ที่รู้จักกันดีในการปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของ ECRกลยุทธ์นี้สามารถมีอิทธิพลต่อสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคใกล้กับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งอาจทำให้ตัวกลางหลักเสถียรเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างลิแกนด์ที่พื้นผิวและตัวกลางเอมีนได้รับการรายงานว่าเป็นตัวดัดแปลงเพื่อส่งเสริม ECR (35)กรดอะมิโนหลายชนิด รวมถึง glycine (Gly), dl-alanine (Ala), dl-leucine (Leu), dl-tryptophan (Tyr), dl-arginine (Arg) และ dl-tryptophan (Trp) ได้รับการตรวจสอบเพื่อ ศึกษาผลกระทบต่อสายนาโนทองแดง (35)ดังที่แสดงในรูปที่ 5D ลิแกนด์ที่มีกรดอะมิโนทั้งหมดสามารถปรับปรุงการเลือกของไฮโดรคาร์บอน C2+ ได้การปรับปรุงดังกล่าวแสดงให้เห็นว่ากลุ่มฟังก์ชัน ─COOH และ ─NH2 ในกรดอะมิโนน่าจะรับผิดชอบต่อการเลือกสรรที่เพิ่มขึ้นของ ECRรายงานก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าการดูดซับกรดอะมิโนบนพื้นผิว Cu เกิดขึ้นได้จากทั้งกลุ่ม ─COOH และ ─NH2 (35, 90)กรดสเตียริก (C17H35COOH, RCO2H) ซึ่งมีเฉพาะหมู่ ─COOH ถูกเลือกเพื่อระบุบทบาทของ ─COOHตัวดัดแปลงอื่น ๆ เช่นเกลือ a-anthraquinone diazonium (AQ), เกลือ o-nitrobenzene diazonium (PhNO2) และ dodecyl mercaptan (C12H25SH, RSH) ซึ่งไม่มีทั้งหมู่─COOHหรือ─NH2ก็ถูกตรวจสอบเช่นกันอย่างไรก็ตาม ทั้งหมดไม่เป็นผลบวกต่อการปรับปรุง C2+ ไฮโดรคาร์บอน FE (รูปที่ 5E)การคำนวณทางทฤษฎีระบุว่าหมู่ ─NH3+ ในไกลซีนที่มีสวิตเตอร์ไอออนที่ถูกดูดซับสามารถทำให้ *CHO สารมัธยันตร์เสถียรได้เนื่องจากมีอันตรกิริยาที่รุนแรงของพวกมัน เช่น พันธะไฮโดรเจนการแนะนำไอออนเฮไลด์เข้าไปในอิเล็กโทรไลต์เป็นอีกวิธีหนึ่งในการปรับเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา (91, 92)ดังที่แสดงในรูปที่ 5F อัตราการผลิต C2H4 บน Cu ที่กระตุ้นด้วยพลาสมาสามารถเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญด้วยความช่วยเหลือของสารเติมแต่งเฮไลด์แสดงให้เห็นว่า I− ไอออนมีฤทธิ์มากกว่า Br− และ Cl− ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานการดูดซับที่สอดคล้องกันของ I−, Br− และ Cl− บนด้าน Cu (100) (91)นอกจากเฮไลด์แล้ว ไฮดรอกไซด์ไอออนยังแสดงผลเชิงบวกต่อการเลือก C2H4 อีกด้วยเมื่อเร็วๆ นี้ ซาร์เจนท์และเพื่อนร่วมงาน (33) รายงานการแปลง CO2 ไปเป็น C2H4 ด้วย ~70% FE โดยใช้อิเล็กโทรไลต์โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) เข้มข้น (สูงถึง 10 M) ในโฟลว์เซลล์ดังที่แสดงในรูปที่ 5G ศักยภาพในการโจมตีของ CO และ C2H4 ในอิเล็กโทรไลต์ 10 M KOH นั้นต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับใน 1 M KOHนอกจากนี้ ความลาดชัน Tafel (รูปที่ 5H) ของการก่อตัวของ C2H4 ลดลงเมื่อความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์เพิ่มขึ้น (135 mV ทศวรรษ - 1 ใน 1 M KOH และ 65 mV ทศวรรษ - 1 ใน 10 M KOH) แนะนำการเปลี่ยนแปลงของอัตราโดยรวม - ขั้นตอนการกำหนดผลลัพธ์ของทฤษฎีความหนาแน่นฟังก์ชัน (DFT) พิสูจน์ว่าการมีไฮดรอกไซด์เข้มข้นสามารถลดพลังงานการจับตัวของสารตัวกลาง CO และยังเพิ่มความไม่สมดุลของประจุระหว่างอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอมในตัวกลาง OCCO ที่ถูกดูดซับอีกด้วยผลที่ได้คือ สารตัวกลาง OCCO จะมีความเสถียรยิ่งขึ้นผ่านการดึงดูดแบบไดโพลที่แข็งแกร่งขึ้น ซึ่งนำไปสู่อุปสรรคพลังงานกระตุ้นที่ลดลงสำหรับการลดขนาด CO ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม

ออกซิเจน C2+ เช่น เอทานอล (CH3CH2OH) เป็นอีกหนึ่งหมวดหมู่หลักของผลิตภัณฑ์ ECR ที่มีมูลค่าสูงการสังเคราะห์เอทานอลทางอุตสาหกรรมเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก ซึ่งยังใช้เอทิลีนหรือวัตถุดิบทางการเกษตรจำนวนมาก (40)ดังนั้นการผลิตเอทานอลหรือออกซิเจน C2+ อื่นๆ ด้วยไฟฟ้าจาก CO2 ทำให้เกิดความรู้สึกทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมอย่างมากเนื่องจากการสร้างเอทานอลจาก ECR ใช้สารตัวกลางสุดท้ายร่วมกับ C2H4 นั่นคือ *C2H3O (43) การเติมไฮโดรเจนแบบเลือกสรรของสารตัวกลางนี้สามารถสลับวิถีทาง ECR จาก C2H4 ไปเป็นแอลกอฮอล์ (64)อย่างไรก็ตาม ในระบบส่วนใหญ่ การเลือกเข้าหาออกซิเจน C2+ จะต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอนมาก (31, 37, 39, 41, 42, 67)ดังนั้นในส่วนนี้ เราจะเน้นกลยุทธ์การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่สามารถบรรลุ C2+ ออกซิเจน FE ที่น่าประทับใจได้มากกว่า 25%

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ตัวเร่งปฏิกิริยาไบเมทัลลิกที่ได้รับการออกแบบอย่างดีสามารถปรับปรุงการเลือกและกิจกรรมสำหรับการผลิตไฮโดรคาร์บอน C2+มีการใช้กลยุทธ์ที่คล้ายกันแต่ไม่เหมือนกันเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของออกซิเจน C2+ (38, 93, 94)ตัวอย่างเช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา Cu-Cu2O ที่รวม Ag ไว้แสดงการเลือกเอทานอลที่ปรับได้ และเอทานอล FE สูงสุดคือ 34.15% (95)ขอบเขตแบบไบเฟสซิกในโลหะผสม Ag-Cu ที่ผสมเฟส แทนที่จะเป็นอัตราส่วนอะตอมของ Ag/Cu ถูกระบุว่าเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการผลิตเอทานอลแบบเลือกสรรเนื่องจากไซต์ Cu อยู่ใกล้กับไซต์ Ag มากในรูปแบบแบบผสมเฟส (Ag-Cu2OPB) อัตราการก่อตัวของตัวกลางเอธานอลสำหรับตัวอย่างแบบผสมเฟสจึงสามารถได้รับการส่งเสริมเมื่อเปรียบเทียบกับแบบแยกเฟส (Ag-Cu2OPS ) ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตเอทานอลดีขึ้นนอกจากเอทานอลแล้ว Cu-Ag bimetallic NPs ยังได้รับการสาธิตในการเปลี่ยน CO2 เป็นอะซิเตตด้วยการเติมเบนโซไตรอาโซล (93)ที่ −1.33 V เทียบกับ RHE FE ของอะซิเตตคือ 21.2%ในกรณีนี้ มีการเสนอเส้นทางปฏิกิริยาที่เป็นไปได้สองทาง: เส้นทางหนึ่งขึ้นอยู่กับการลดขนาด CO และอีกเส้นทางหนึ่งขึ้นอยู่กับการแทรก CO โดยเน้นบทบาทที่สำคัญของการก่อตัวของ CO ระดับกลางบนไซต์ Ag ที่ใช้งานอยู่มีรายงานข้อสังเกตที่คล้ายกันในตัวเร่งปฏิกิริยา Cu-Zn (รูปที่ 6, A และ B) สำหรับการผลิตเอทานอล (38)ด้วยการปรับเนื้อหาของ Zn ในตัวเร่งปฏิกิริยาอัลลอยด์ Zn-Cu อัตราส่วนของเอธานอลต่อ C2H4 FE สามารถควบคุมได้ดีในช่วง 0.48 ถึง 6 ซึ่งบ่งบอกถึงความสำคัญของตำแหน่งที่พัฒนา CO สำหรับการก่อตัวของออกซิเจน C2+การก่อตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาอัลลอยด์อาจทำให้เกิดความเครียดต่อวัสดุเมทริกซ์ ซึ่งบางครั้งอาจไม่ต้องการดังนั้นเส้นทางตรงไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาไบเมทัลลิกอาจเหมาะสมกว่าสำหรับผลิตภัณฑ์เป้าหมายบางชนิดJaramillo และเพื่อนร่วมงาน (96) ได้สร้างระบบ Au-Cu bimetallic ที่เรียบง่าย ซึ่งสังเคราะห์โดยการสะสมของ NP ทองคำโดยตรงบนฟอยล์ Cu แบบโพลีคริสตัลไลน์ เพื่อตรวจสอบผลการเร่งปฏิกิริยาแบบคู่กันAu-Cu ชนิดไบเมทัลลิกแสดงความสามารถในการคัดเลือกและกิจกรรมที่เสริมฤทธิ์กันต่อแอลกอฮอล์ C2+ ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าทองแดงและทองคำบริสุทธิ์ และโลหะผสม Au-Cuเมื่อเปรียบเทียบกับฟอยล์ Cu ระบบ Bimetallic Au-Cu แสดงความเข้มข้นของ CO ในพื้นที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากมี Au NPs (รูปที่ 6C) ที่ใช้งานอยู่สำหรับการสร้าง COเนื่องจากทองคำไม่ได้ใช้งานในการลด CO อัตราการผลิตแอลกอฮอล์ C2+ ที่เพิ่มขึ้นบนตัวเร่งปฏิกิริยาไบเมทัลลิก Au-Cu จึงถูกกำหนดให้เป็นกลไกการเร่งปฏิกิริยาแบบคู่กันโดยเฉพาะอย่างยิ่ง NP ทองคำสามารถสร้างความเข้มข้นของ CO ในพื้นที่สูงใกล้กับพื้นผิว Cuต่อไป โมเลกุล CO ในท้องถิ่นที่มีอยู่มากมายสามารถลดขนาดลงเป็นแอลกอฮอล์ C2+ ได้อีกโดยใช้ Cu

(A ถึง C) เอฟเฟกต์โลหะผสม(A) FE สูงสุดของเอทานอลและ C2H4 และอัตราส่วน FE ของเอทานอลและเอทิลีนบนโลหะผสม Cu-Zn ต่างๆ(B) ความหนาแน่นกระแสบางส่วนของเอทานอลบนโลหะผสม Cu-Zn ต่างๆ(A) และ (B) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (38)(C) การลด CO2 และอัตราการวิวัฒนาการของ CO2 บนทองคำ ทองแดง และระบบไบเมทัลลิก Au-Cuทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (96)(D ถึง L) สัณฐานวิทยาหรือผลกระทบต่อโครงสร้าง(D) ภาพประกอบแผนผังของวิธีการหมุนเวียนไอออนของโลหะ(E และ F) ภาพ SEM ของ Cu 100 รอบก่อน (E) และหลัง (F) การลดล่วงหน้าภายใต้เงื่อนไข ECR(G) TEM และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนในพื้นที่ที่เลือกชี้ให้เห็นว่า Cu (100) ได้รับการสัมผัสและ (H) พลังงานอิสระสำหรับการก่อตัวของ * OCCO และ * OCCHO บน Cu (100), Cu (111) และ Cu (211)(D) ถึง (G) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (42)(I) อัตราส่วนของออกซิเจนและไฮโดรคาร์บอนเป็นฟังก์ชันของศักยภาพบน Cu(111), Cu(751) และ Cu(100)(J) หมายเลขประสานงานสำหรับ Cu(111), Cu(100) และ Cu(751)(I) และ (J) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก National Academy of Sciences (97)(K) แผนผังกระบวนการเปลี่ยนจาก Cu NPs ไปเป็นทองแดงที่มีลักษณะคล้ายลูกบาศก์ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก National Academy of Sciences (98)(L) ภาพ SEM ของทองแดงนาโนเดนไดรต์ก่อนและหลัง ECRทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (99)

การเปิดรับแสงแบบคริสตัลแบบเลือกสรรสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าได้แสดงให้เห็นว่าเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพและตรงไปตรงมาในการบรรลุ FE ที่ได้รับการปรับปรุงต่อผลิตภัณฑ์ ECR ที่เฉพาะเจาะจงและเป็นวิธีสำคัญสำหรับความเข้าใจพื้นฐานการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาผลึกเดี่ยวที่เรียบง่ายแต่ปรับขนาดได้นั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายได้รับแรงบันดาลใจจากขั้นตอนการคายประจุไฟฟ้า (GCD) สำหรับแบตเตอรี่ กลุ่มของเราได้พัฒนาวิธีการหมุนเวียนไอออนของโลหะ (รูปที่ 6D) เพื่อเลือกเปิดเผยด้านคริสตัลของตัวเร่งปฏิกิริยา Cu (42)หลังจาก 100 รอบ GCD อาร์เรย์ Cu ​​nanocube ที่หนาแน่นจะถูกสร้างขึ้นบนฟอยล์ Cu โดยมีด้านที่สัมผัส (100) (รูปที่ 6, E ถึง G)ตัวเร่งปฏิกิริยา 100 รอบแสดง C2+ แอลกอฮอล์ FE โดยรวมมากกว่า 30% และความหนาแน่นกระแสแอลกอฮอล์ C2+ ที่สอดคล้องกันมากกว่า 20 mA cm−2อย่างไรก็ตาม Cu 10 รอบที่มีอัตราส่วนที่ต่ำกว่าของด้าน (100) ให้ค่า FE ของแอลกอฮอล์ C2+ ที่ ~10% เท่านั้นการจำลอง DFT ยืนยันว่าด้าน Cu(100) และด้านแบบขั้น (211) มีความเหมาะสมมากกว่าสำหรับการคัปปลิ้ง C─C มากกว่า Cu(111) ดังแสดงในรูปที่ 6Hตัวเร่งปฏิกิริยาแบบจำลอง ฟิล์ม epitaxial Cu ที่มีด้านสัมผัสต่างกัน ถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดแรงจูงใจของไซต์ที่มีปฏิกิริยาต่อการผลิตออกซิเจน C2+ (รูปที่ 6I) (97)เนื่องจากมีโอกาสน้อยในทางสถิติที่ตัวหรี่ CO* จะอยู่ติดกับอะตอม H* บนพื้นผิวที่มีเพื่อนบ้านน้อยกว่า ตำแหน่ง Cu ที่มีการประสานงานต่ำกว่าสามารถยับยั้งการก่อตัวของไฮโดรคาร์บอนและนำไปสู่การปรับปรุง C2+ ออกซิเจน FE เนื่องจากเป็นการยากกว่าที่จะเติมไฮโดรเจน C─C ควบคู่ ECR ตัวกลางบนพื้นผิว (97)ในการศึกษาภาพยนตร์ Cu epitaxis ผู้เขียนยืนยันว่า ECR ในด้าน Cu(751) มีอัตราส่วนออกซิเจน/ไฮโดรคาร์บอนที่ดีขึ้นการปรับปรุงนี้สามารถกำหนดให้กับเรขาคณิตอะตอมของพื้นผิว Cu ของแง่มุม Cu ที่แตกต่างกันและหมายเลขประสานงานเฉลี่ยต่ำกว่าที่สอดคล้องกัน (รูปที่ 6J) โดยที่อะตอม Cu ประสานงานตามลำดับกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดสอง, สี่และหกบน Cu (751) Cu(100) และ Cu(111) เหลี่ยมการสร้างสัณฐานวิทยาในแหล่งกำเนิดใหม่ยังถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุง C2+ ออกซิเจน FEตัวเร่งปฏิกิริยา Cu ที่มีลักษณะคล้ายลูกบาศก์ได้รับการพัฒนาโดย Yang และเพื่อนร่วมงาน (98) ซึ่งแสดงประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ C─C ที่ได้รับการปรับปรุงในรายละเอียด monodisperse Cu NPs (6.7 นาโนเมตร) ที่มีการโหลดต่างกันถูกวางลงบนกระดาษคาร์บอนเพื่อเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับ ECRเห็นได้ชัดว่า FE ของออกซิเจน C2+ ที่เพิ่มขึ้นนั้นสังเกตได้จากการเพิ่มขึ้นของการโหลด Cu NPแสดงให้เห็นว่า Cu NPs ที่อัดแน่นหนาแน่นภายใต้สภาวะการรับน้ำหนักสูงได้รับการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยา ในแหล่งกำเนิด ในช่วง ECR ซึ่งในที่สุดสัณฐานวิทยาคล้ายลูกบาศก์จะถูกสร้างขึ้น (รูปที่ 6K)โครงสร้างที่สร้างขึ้นใหม่นี้พบว่ามีปฏิกิริยาทางไฟฟ้ามากขึ้นการวิเคราะห์ Tafel ชี้ให้เห็นว่าการลดขนาด CO เป็นขั้นตอนการกำหนดอัตราสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2 ในขณะที่ของ n-โพรพานอลแสดงวิถีทางที่ไม่ต่อเนื่องในระบบตัวเร่งปฏิกิริยานี้ทองแดงนาโนเดนไดรต์เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการควบคุมสัณฐานวิทยาสำหรับการผลิตออกซิเจน C2+ (99)โดยสรุป FE รวมของทองแดงนาโนเดนไดรต์ที่กำหนดไว้อย่างดี (รูปที่ 6 ลิตร) สำหรับแอลกอฮอล์ C2 + อยู่ที่ประมาณ 25% ที่ −1.0 V เทียบกับ RHEสามารถรับ n-propanol FE ที่น่าประทับใจที่ 13% ที่ −0.9 V เมื่อพิจารณาถึงกิจกรรมที่สูงของอะตอม Cu ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ทองแดงมักประสบปัญหาการย่อยสลายของโครงสร้างในช่วง ECR โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ศักยภาพสูงเกินไป ซึ่งในทางกลับกัน นำไปสู่ความยากจน ความมั่นคงอย่างไรก็ตาม ทองแดงนาโนเดนไดรต์ดังกล่าวมีความคงตัวที่ดีสำหรับการผลิตแอลกอฮอล์ โดยแสดงแอลกอฮอล์ FE ที่ ~24% ตลอด 6 ชั่วโมง

ข้อบกพร่องของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า เช่น ตำแหน่งว่างของอะตอมและสารเจือปน แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการดูดซับตัวกลาง ECR ที่แหวกแนว และด้วยเหตุนี้ จึงได้ปรับปรุงวิถีทางที่สอดคล้องกันไปสู่ออกซิเจน (29, 43, 100)ซาร์เจนท์และเพื่อนร่วมงาน (43) ได้ศึกษาบทบาทของข้อบกพร่องในตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า Cu แบบ core-shell โดยใช้ *C2H3O เป็นตัวอย่าง ซึ่งเป็นตัวกลางที่เป็นไปได้ขั้นสุดท้ายสำหรับการผลิตเอทิลีนและเอทานอลพวกเขาแสดงให้เห็นในทางทฤษฎีว่าอุปสรรคพลังงานปฏิกิริยาสำหรับการก่อตัวของเอทิลีนและเอธานอลมีความคล้ายคลึงกันในระยะแรกของการมีเพศสัมพันธ์ C─C (แรงดันไฟฟ้าเกิน 0.5-V) (รูปที่ 7A)ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว การนำตำแหน่งทองแดงที่ว่างเข้ามาจะเพิ่มอุปสรรคด้านพลังงานสำหรับการสร้างเอทิลีนเล็กน้อย แต่ก็ไม่แสดงอิทธิพลต่อการสร้างเอทานอล (รูปที่ 7B)อย่างไรก็ตาม ดังที่แสดงในรูปที่ 7C ตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่มีค่าว่างและสารเจือปนกำมะถันใต้ผิวดินสามารถเพิ่มอุปสรรคด้านพลังงานสำหรับเส้นทางเอทิลีนได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้ไม่เอื้ออำนวยทางอุณหพลศาสตร์อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงดังกล่าวแสดงให้เห็นผลกระทบเล็กน้อยต่อวิถีทางเอธานอลปรากฏการณ์นี้ได้รับการตรวจสอบทดลองเพิ่มเติมสังเคราะห์ Cu2S-Cu ที่มีโครงสร้างเปลือกแกนกลางซึ่งมีตำแหน่งว่างบนพื้นผิวมากมาย (Cu2S-Cu-V; รูปที่ 7D) ถูกสังเคราะห์อัตราส่วนของแอลกอฮอล์ต่อเอทิลีนเพิ่มขึ้นจาก 0.18 บน Cu NPs เปลือยเป็น 0.34 บน Cu2S-Cu ที่ไม่มีตำแหน่งว่าง จากนั้นเป็น 1.21 บน Cu2S-Cu-V แม้ว่า FE ทั้งหมดของผลิตภัณฑ์ C2+ สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดยังคงใกล้เคียงกัน (รูปที่ 7E) .การสังเกตนี้ชี้ให้เห็นว่าการส่งเสริมการเลือกใช้แอลกอฮอล์สัมพันธ์กับการปราบปรามการผลิตเอทิลีน ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ DFTนอกจากนี้ วิศวกรรมข้อบกพร่องยังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนที่ปราศจากโลหะ เนื่องจากวัสดุคาร์บอนบริสุทธิ์จะไม่ใช้งานสำหรับ ECRสารเจือปนเช่นไนโตรเจนและโบรอนถูกนำมาใช้เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคาร์บอน (31, 43, 100)ตัวอย่างเช่น ฟิล์มนาโนไดมอนด์ (NDD) ที่เจือด้วยไนโตรเจนบนพื้นผิวซิลิกอนถูกสืบทอดโดย Quan และคณะ(29) สำหรับการผลิตอะซิเตตแบบคัดเลือกจาก ECR (รูปที่ 7F)ศักยภาพในการโจมตีของอะซิเตตต่ำถึง −0.36 V เทียบกับ RHE โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา NDD และ FE สำหรับอะซิเตตนั้นมากกว่า 75% ในช่วงที่เป็นไปได้ตั้งแต่ −0.8 ถึง −1.0 V เมื่อเทียบกับ RHEเพื่อให้เข้าใจถึงที่มาของการปรับปรุงที่น่าประทับใจดังกล่าว จึงได้เตรียมและตรวจสอบอิเล็กโทรด NDD/Si ​​ที่มีปริมาณไนโตรเจนหรือสายพันธุ์ไนโตรเจนต่างกัน (รูปที่ 7G)ผู้เขียนสรุปว่าประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของตัวเร่งปฏิกิริยา NDD/Si ​​สำหรับ ECR อาจเนื่องมาจากศักยภาพที่สูงเกินไปสำหรับการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนและการเติม N โดยที่สายพันธุ์ N-sp3C มีการใช้งานสูงสำหรับการผลิตอะซิเตตข้อมูลทางไฟฟ้าจลนศาสตร์และสเปกตรัมอินฟราเรด ในแหล่งกำเนิด เปิดเผยว่าเส้นทางหลักสำหรับการก่อตัวของอะซิเตตอาจเป็น CO2 → *CO2− → *(COO)2 → CH3COO−นอกจากไนโตรเจนแล้ว โบรอนยังเป็นอะตอมเฮเทอโรอะตอมอีกชนิดหนึ่งที่ได้รับการสำรวจอย่างดีเพื่อควบคุมโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของเพชรนาโนอย่างไรก็ตาม เพชรนาโนที่เจือด้วยโบรอน (BDD) จะลด CO2 ไปเป็นฟอร์มาลดีไฮด์หรือฟอร์เมต (101) ได้เป็นพิเศษนอกจากนี้ Quan และเพื่อนร่วมงาน (102) แสดงให้เห็นว่านาโนไดมอนด์ที่เจือด้วยโบรอนและไนโตรเจน (BND) แสดงให้เห็นผลเสริมฤทธิ์กันต่อ ECR ซึ่งสามารถเอาชนะข้อจำกัดของ BDD แล้วจึงเลือกผลิตเอทานอลได้เตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา BND1, BND2 และ BND3 ที่มีปริมาณไนโตรเจนต่างกันและระดับการเติมโบรอนใกล้เคียงกันดังที่แสดงในรูปที่ 7H สามารถเลือกเอธานอลได้สูงสุด 93% บนตัวเร่งปฏิกิริยา BND3 ที่ −1.0 V เทียบกับ RHE ซึ่งมีการเติมไนโตรเจนสูงสุดการคำนวณทางทฤษฎีแสดงให้เห็นว่ากระบวนการเชื่อมต่อ C─C บน BND มีข้อดีทางอุณหพลศาสตร์ โดยที่อะตอมโบรอนส่งเสริมการจับ CO2 และสารเจือปนไนโตรเจนช่วยให้เกิดไฮโดรจิเนชันของตัวกลางไปเป็นเอธานอลได้ง่ายขึ้นแม้ว่านาโนไดมอนด์ที่เจือด้วยเฮเทอโรอะตอมจะสามารถแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นออกซิเจนหลายคาร์บอนด้วยการเลือกสูง แต่กิจกรรม ECR นั้นมีจำกัดมากเนื่องจากกระบวนการถ่ายโอนประจุที่ช้า (ความหนาแน่นกระแสน้อยกว่า 2 mA cm−2)วัสดุที่ใช้กราฟีนอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีศักยภาพในการเอาชนะข้อบกพร่องของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้เพชรตามทฤษฎีแล้ว ไซต์ Edge pyridinic N ในชั้นกราฟีนนั้นถูกใช้เป็นไซต์ที่ทำงานอยู่สำหรับการเชื่อมต่อ C─C (103)นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการมีอยู่ของ pyridinic N ที่บริเวณขอบสามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็น CO ซึ่งสามารถรวมเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุล C2+ ได้ (รูปที่ 7I)ตัวอย่างเช่น สารตัวกลาง *C2O2 สามารถทำให้เสถียรได้ในคาร์บอนที่เจือด้วยไนโตรเจน โดยที่อะตอม C สองตัวถูกพันธะกับไพริดินิก N และอะตอม C ที่อยู่ติดกันตามลำดับ (103)การทำนายทางทฤษฎีได้รับการตรวจสอบโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาควอนตัมดอทกราฟีนที่เจือด้วยไนโตรเจน (NGQD) (31)หลังจากการบดแผ่นกราฟีนที่เจือด้วยไนโตรเจน (1 ถึง 3 μm) (รูปที่ 7J) จะได้รับ NGQD 1- ถึง 3 นาโนเมตร ซึ่งความหนาแน่นของ pyridinic N ที่บริเวณขอบเพิ่มขึ้นสามลำดับความสำคัญที่ −0.78 V เทียบกับ RHE ค่า FE สูงสุดสำหรับออกซิเจน C2+ อาจสูงถึง 26%นอกจากนี้ ดังที่แสดงในรูปที่ 7K ความหนาแน่นกระแสบางส่วนสำหรับออกซิเจน C2+ อยู่ใกล้กับ 40 mA cm−2 ที่ −0.86 V เทียบกับ RHE ซึ่งสูงกว่าของนาโนไดมอนด์ที่ดัดแปลงมากในการเปรียบเทียบ จุดควอนตัมกราฟีนที่ปราศจาก N และกราฟีนออกไซด์ที่เจือด้วย N ซึ่งแสดง pyridinic N ของไซต์ขอบที่ต่ำกว่ามาก ให้ผลผลิต H2, CO และรูปแบบเป็นหลัก

(A ถึง C) พลังงานกิ๊บส์อิสระจาก *C2H3O สู่เอทิลีนและเอทานอลสำหรับทองแดง ทองแดงที่มีตำแหน่งว่าง และทองแดงที่มีตำแหน่งทองแดงและกำมะถันใต้ผิวดิน(D) ภาพประกอบแผนผังของตัวเร่งปฏิกิริยา Cu2S-Cu-V(E) FE ของ C2+ แอลกอฮอล์และเอทิลีน รวมถึงอัตราส่วน FE ของแอลกอฮอล์ต่ออัลคีน(A) ถึง (E) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (43)(F) ภาพ SEM ของ NDD(G) อัตราการผลิตอะซิเตตและรูปแบบบน NDD ที่มีปริมาณไนโตรเจนต่างกันที่ %, อะตอม %(F) และ (G) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (29)(H) FEs สำหรับ NDD, BDD และ BNDs ที่ −1.0 V. ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley and Sons (102)(I) ภาพประกอบแผนผังของไซต์ที่ใช้งานอยู่สำหรับการมีเพศสัมพันธ์ C─C ใน NGQD(I) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society (103)(J) รูปภาพ TEM ของ NGQDสเกลบาร์ 1 นาโนเมตร(K) ความหนาแน่นกระแสบางส่วนสำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่ใช้ NGQD(J) และ (K) ได้รับการทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (31)

นอกเหนือจากตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า การออกแบบสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดและเครื่องปฏิกรณ์แบบเร่งปฏิกิริยายังนำเสนออีกแนวทางหนึ่งที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพ ECR โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอัตราการผลิตและประสิทธิภาพการใช้พลังงานมีการปรับปรุงที่สำคัญในการออกแบบและสร้างระบบลดกระแสไฟฟ้าแบบใหม่เพื่อให้เกิดการผลิต C2+ ที่มีประสิทธิภาพสูงในส่วนนี้ เราจะหารือเกี่ยวกับการออกแบบอิเล็กโทรด/เครื่องปฏิกรณ์ ECR โดยละเอียด

เซลล์ประเภท H ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ โดยพิจารณาจากการประกอบที่ง่ายดาย ใช้งานง่าย และต้นทุนต่ำเซลล์ดังกล่าวมีห้องแคโทดและแอโนดอิสระที่เชื่อมต่อกันด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน (104, 105)ข้อเสียเปรียบหลักของเซลล์ประเภท H นี้คือความสามารถในการละลาย CO2 ต่ำในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ ซึ่งมีปริมาณเพียง 0.034 M ภายใต้สภาวะแวดล้อม ส่งผลให้ความหนาแน่นกระแสลด CO2 มีจำกัดที่ j < 100 mA cm−2 (64)ยิ่งไปกว่านั้น ข้อเสียที่แท้จริงอื่นๆ รวมถึงพื้นที่ผิวของอิเล็กโทรดที่จำกัดและระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดที่มาก ไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดการวิจัยที่เพิ่มขึ้น (105, 106)สำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2+ เซลล์ประเภท H มักจะแสดงการเลือกต่ำภายใต้ศักยภาพสูงเกินไป เช่น 32% สำหรับเอทิลีนที่ −0.98 V เทียบกับ RHE (107), 13.1% สำหรับ n-โพรพานอลที่ −0.9 V เทียบกับ RHE (99) และ 20.4% สำหรับเอทานอลที่ −0.46 V เทียบกับ RHE (108) เนื่องจากวิวัฒนาการของไฮโดรเจนที่มีการแข่งขันกันอย่างจริงจัง

เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น จึงได้มีการเสนอเครื่องปฏิกรณ์แบบไหล (15, 109)ในโฟลว์เซลล์ กระแสก๊าซ CO2 สามารถใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นที่แคโทดได้โดยตรง ซึ่งนำไปสู่อัตราการแพร่กระจายของมวลและการผลิตที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (104, 110)รูปที่ 8A แสดงสถาปัตยกรรมทั่วไปของโฟลว์เซลล์ โดยที่เมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ (PEM) ทำหน้าที่เป็นตัวแยกอิเล็กโทรดที่ประกบอยู่ระหว่างช่องการไหลสองช่องตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกตรึงไว้บนอิเล็กโทรดการแพร่กระจายก๊าซ (GDE) เพื่อทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดแคโทด โดยที่ CO2 ที่เป็นก๊าซจะถูกป้อนโดยตรงแคโทไลต์ เช่น 0.5 M KHCO3 ถูกไหลอย่างต่อเนื่องภายในชั้นบางๆ ระหว่างอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยาและ PEMนอกจากนี้ โดยทั่วไปด้านขั้วบวกจะหมุนเวียนด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำสำหรับปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน (43, 110)เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ชนิด H โฟลว์เซลล์ที่ใช้เมมเบรนเหล่านี้แสดงประสิทธิภาพ ECR ที่เหนือกว่ามากตัวอย่างเช่น ซาร์เจนท์และเพื่อนร่วมงาน (43) ประเมินประสิทธิภาพ ECR ของตัวเร่งปฏิกิริยา Cu2S-Cu-V ในเซลล์ H-type และโฟลว์เซลล์ ดังแสดงในรูปที่ 8 (B ถึง E)เมื่อใช้เซลล์ประเภท H ค่า FE สูงสุดสำหรับผลิตภัณฑ์ C2+ คือ 41% โดยมีความหนาแน่นกระแสรวมอยู่ที่ ~30 mA cm−2 ต่ำกว่า −0.95 V เทียบกับ RHEอย่างไรก็ตาม FE สำหรับผลิตภัณฑ์ C2+ เพิ่มขึ้นเป็น 53% โดยมีความหนาแน่นกระแสรวมเกิน 400 mA cm−2 อย่างง่ายดายภายใต้ −0.92 V เทียบกับ RHE ในระบบการไหลการปรับปรุงประสิทธิภาพที่สำคัญดังกล่าวโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลสามารถกำหนดได้จากการแพร่กระจายของ CO2 ที่เพิ่มขึ้นและปฏิกิริยาข้างเคียงที่ถูกระงับ ซึ่งส่วนใหญ่มาจากสถาปัตยกรรมอินเทอร์เฟซสามอินเทอร์เฟซของแก๊ส-อิเล็กโทรไลต์-ตัวเร่งปฏิกิริยาในท้องถิ่น

(A) แผนภาพของโฟลว์อิเล็กโตรไลเซอร์พร้อมแผนผังแบบซูมเข้าของส่วนต่อประสานอิเล็กโทรด-อิเล็กโทรไลต์(A) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley and Sons (30)(B ถึง E) การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ ECR โดยใช้เซลล์ชนิด H และโฟลว์เซลล์(B) ถึง (E) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากกลุ่มสำนักพิมพ์ธรรมชาติ (43)(F ถึง H) อิเล็กโทรไลต์ต่างๆ ที่ใช้ในโฟลว์เซลล์เทียบกับประสิทธิภาพของ ECR(F) ถึง (H) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley และ Sons (30)(I ถึง K) ประสิทธิภาพด้านโครงสร้างและความเสถียรของอิเล็กโทรดการแพร่ก๊าซแบบโพลีเมอร์(I) ถึง (K) ได้รับการทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก AAAS (33)

เซลล์ช่องว่างเป็นศูนย์เป็นอีกประเภทหนึ่งของอิเล็กโทรไลเซอร์ที่เกิดขึ้นใหม่ ซึ่งจะขจัดช่องทางการไหลในโฟลว์เซลล์ออกไปอีก และกดอิเล็กโทรดสองตัวพร้อมกับเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนที่อยู่ระหว่างนั้นการกำหนดค่านี้สามารถลดความต้านทานการถ่ายโอนมวลและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้อย่างมาก และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ทำให้เป็นไปได้มากขึ้นในการใช้งานจริง (110)สารตั้งต้นที่ป้อนให้กับแคโทดอาจเป็นแคโทไลต์อิ่มตัวด้วย CO2 หรือกระแส CO2 ที่ทำให้ชื้นก็ได้ไอน้ำหรืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำจะถูกป้อนเข้าไปในขั้วบวกเพื่อปล่อยโปรตอนเพื่อชดเชยประจุสำหรับสายพันธุ์การลดคาร์บอนไดออกไซด์ (111)Gutiérrez-Guerra และคณะ(109) ประเมินประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาลูกผสม Cu-AC ในเซลล์ช่องว่างเป็นศูนย์ และรายงานว่าอะซีตัลดีไฮด์เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่มีค่าหัวกะทิสูง 60%ข้อดีอีกประการหนึ่งของอุปกรณ์นี้ คือ ง่ายมากที่จะเพิ่มแรงดันให้กับการไหลของสารตั้งต้นและเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 ในพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลให้มีกระแสไฟฟ้าหนาแน่นสูงและอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูง (110)อย่างไรก็ตาม อัตราการแลกเปลี่ยนไอออนแบบเร่งในเซลล์ที่มีช่องว่างเป็นศูนย์มีแนวโน้มที่จะทำให้แคโทไลต์เป็นกรด โดยเปลี่ยนปฏิกิริยาไปสู่การวิวัฒนาการของ H2 แทนที่จะเป็นการลด CO2 (112)เพื่อแก้ไขปัญหานี้ Zhou และเพื่อนร่วมงาน (112, 113) ได้ใส่ชั้นบัฟเฟอร์ที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำหมุนเวียนระหว่างแคโทดและเมมเบรน เพื่อรักษาค่า pH ที่เหมาะสมใกล้กับแคโทดสำหรับปฏิกิริยาการลดคาร์บอนไดออกไซด์แม้ว่าผลิตภัณฑ์ C2+ ต่างๆ จะถูกตรวจพบบนพื้นฐานของเซลล์ที่มีช่องว่างเป็นศูนย์ ซึ่งรวมถึงอะซิโตน เอธานอล และเอ็น-โพรพานอล แต่ FE ยังคงค่อนข้างต่ำการศึกษาที่รายงานส่วนใหญ่มักจะมุ่งเน้นไปที่ผลิตภัณฑ์ C1 ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนโปรตอนและอิเล็กตรอนน้อยลงในระหว่างปฏิกิริยารีดักชันดังนั้น ความเป็นไปได้ของช่องว่างที่เป็นศูนย์สำหรับผลิตภัณฑ์ C2+ ยังอยู่ระหว่างการถกเถียง (110)

นอกจากนี้ เซลล์อิเล็กโทรไลต์ไมโครฟลูอิดิก (MEC) ยังเป็นโครงร่างอิเล็กโตรไลเซอร์ที่น่าดึงดูดอย่างมากซึ่งพัฒนาโดย Kenis และเพื่อนร่วมงาน (39, 114)ในอุปกรณ์นี้ เมมเบรนจะถูกแทนที่ด้วยพื้นที่บาง (ความหนา <1 มม.) ที่เต็มไปด้วยกระแสอิเล็กโทรไลต์ไหลเพื่อแยกแอโนดและแคโทดโมเลกุล CO2 สามารถแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปยังส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรด-อิเล็กโทรไลต์ใกล้กับแคโทด และ GDE ที่คงที่ทั้งสองจะถูกชะล้างโดยอิเล็กโทรไลต์ที่ไหลเมื่อเปรียบเทียบกับโฟลว์เซลล์ที่ใช้เมมเบรน MEC ไม่เพียงแต่หลีกเลี่ยงต้นทุนเมมเบรนที่สูงเท่านั้น แต่ยังช่วยลดการจัดการน้ำ ซึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งหมายถึงการแห้งของแอโนดและน้ำท่วมแคโทดเมื่อดำเนินการที่ความหนาแน่นกระแสสูงเนื่องจากการลากออสโมติกของโมเลกุลน้ำพร้อมกับ การขนส่งโปรตอนจากขั้วบวกไปยังแคโทดผ่านเมมเบรน (115)เท่าที่เราทราบ แม้จะมีข้อดีและความสำเร็จที่เห็นได้ชัดเจน แต่มีการศึกษาจำนวนไม่มากที่ทำให้ผลิตภัณฑ์ C2+ ใน MEC ดั้งเดิมบรรลุผลสำเร็จนี่อาจเกิดจากผลกระทบ "ลอยตัว" ที่โปรตอนที่เกิดขึ้นในขั้วบวกถูกระบายออกจากบริเวณแคโทดอย่างง่ายดายหรือถูกชะล้างออกไปโดยอิเล็กโทรไลต์ที่ไหล แทนที่จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการก่อตัวของโปรตอน C2+ หลายตัวการเก็งกำไรสามารถยืนยันได้จากตัวอย่างต่อไปนี้ในปี 2016 Kenis และเพื่อนร่วมงาน (31) รายงานความสำเร็จในการลด CO2 ให้เป็นผลิตภัณฑ์ C2+ บน MEC ที่ดัดแปลงและประกอบด้วยเมมเบรน ซึ่ง NGQD สามารถลดโมเลกุล CO2 ให้เป็น C2+ ด้วย 55% FE (31% สำหรับเอทิลีน 14% สำหรับเอทานอล 6% สำหรับอะซิเตตและ 4% สำหรับ n-โพรพานอล) ที่ศักยภาพการใช้งานที่ −0.75 V เทียบกับ RHE ในสารละลาย 1 M KOHสิ่งสำคัญคือต้องชี้ให้เห็นว่าสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเลือกผลิตภัณฑ์เช่นกันตัวอย่างเช่น Jiao และเพื่อนร่วมงาน (30) สังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา Cu ที่มีรูพรุนระดับนาโน จากนั้นทดสอบประสิทธิภาพของ ECR โดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่แตกต่างกัน (KHCO3, KOH, K2SO4 และ KCl) ใน MEC ที่ใช้เมมเบรนพวกเขาเปิดเผยว่าการลด CO2 ในอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ (KOH) แสดงให้เห็นการเลือก C2+ และความหนาแน่นกระแสสูงสุด ดังแสดงในรูปที่ 8 (F และ G)ที่ −0.67 V เทียบกับ RHE ในอิเล็กโทรไลต์ 1 M KOH FE ที่ได้รับสำหรับ C2+ จะสูงถึง 62% โดยมีความหนาแน่นกระแสบางส่วนที่ 653 mA cm−2 ซึ่งเป็นหนึ่งในความหนาแน่นกระแสสูงสุดที่เคยรายงานในการลด CO2 เคมีไฟฟ้า สู่ผลิตภัณฑ์ C2+เอทิลีน (38.6%) เอทานอล (16.6%) และเอ็น-โพรพานอล (4.5%) เป็นผลิตภัณฑ์หลักของ C2+ ที่มีอะซิเตตในปริมาณเล็กน้อยพวกเขายังชี้ให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์กันอย่างมากระหว่างค่า pH ของพื้นผิวที่คำนวณได้กับ FE สำหรับผลิตภัณฑ์ C2+ ยิ่งค่า pH ของพื้นผิวสูงเท่าใด ความหนาแน่นกระแสและผลิตภัณฑ์ C2+ ก็จะยิ่งสูงขึ้นตามที่แสดงในรูปที่ 8Hการคำนวณทางทฤษฎีเสนอว่าไอออน OH− ที่พื้นผิวใกล้สามารถอำนวยความสะดวกในการมีเพศสัมพันธ์ของ C─C ได้อย่างมาก (31)

นอกเหนือจากการกำหนดค่าอิเล็กโตรไลเซอร์แล้ว อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในอิเล็กโตรไลเซอร์ที่แตกต่างกันยังสามารถเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์ ECR ขั้นสุดท้ายได้อย่างมากดังที่เราได้กล่าวไว้ข้างต้น สารละลาย KOH ที่เป็นด่างสูงมักจะใช้ในโฟลว์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมมากกว่าในเซลล์ชนิด Hโดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กโทรไลต์ KOH สามารถให้ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ที่สูงขึ้น ลดความต้านทานโอห์มมิกระหว่างการเคลือบอิเล็กโทรไลต์บาง ๆ บนตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรไลต์จำนวนมาก และลดศักยภาพที่สูงเกินไปที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของ C2+ (31)ผลลัพธ์ของ DFT ยังยืนยันอีกว่าการมีอยู่ของ OH− ไอออนสามารถลดอุปสรรคพลังงานสำหรับการลดขนาด CO ได้ ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการก่อตัวของ C2 + และระงับการแข่งขันจากการก่อตัวของ C1 และ H2 (30, 33)อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถใช้อัลคาไลน์ KOH เป็นอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์ประเภท H ได้เนื่องจากกระแส CO2 จะทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับสารละลาย KOH และสุดท้ายจะสร้างสารละลายไบคาร์บอเนตที่มีค่า pH เป็นกลางในเซลล์ประเภท H (30)อย่างไรก็ตาม ในโฟลว์เซลล์ เมื่อ CO2 แพร่กระจายผ่าน GDE โมเลกุลของ CO2 จะถูกใช้ที่เฟสขอบเขตสาม (CO2-ตัวเร่งปฏิกิริยา-อิเล็กโทรไลต์) เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่ลดลงทันทีนอกจากนี้ ความสามารถในการบัฟเฟอร์ที่ไม่ดีของอิเล็กโทรไลต์ยังสามารถเพิ่ม pH รอบๆ อิเล็กโทรดได้อย่างรวดเร็วในการกำหนดค่าอิเล็กโทรไลต์แบบอยู่กับที่ ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์ที่ไหลจะทำให้พื้นผิวสดชื่น และลดความผันผวนของ pH ในอิเล็กโทรไลต์ (33, 116)

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นว่า ECR เป็นปฏิกิริยาที่ควบคุมการแพร่กระจาย ความดันปฏิกิริยาสูงยังสามารถเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 จำนวนมากและส่วนต่อประสานได้อย่างมีนัยสำคัญเครื่องปฏิกรณ์แรงดันสูงทั่วไปมีลักษณะคล้ายกับหม้อนึ่งความดันสแตนเลส ซึ่งสามารถนำ CO2 แรงดันสูง (สูงถึง 60 atm) เข้าไปในเซลล์ ส่งผลให้ทั้ง FE และความหนาแน่นกระแสของ C2+ เพิ่มขึ้นอย่างน่าทึ่ง (117 , 118)Sakata และเพื่อนร่วมงาน (119) แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นกระแสสามารถปรับปรุงเป็น 163 mA cm−2 ที่ต่ำกว่า 30 atm บนอิเล็กโทรด Cu โดยมีเอทิลีนเป็นผลิตภัณฑ์หลักตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะจำนวนมาก (เช่น Fe, Co และ Ni) ที่ไม่มีกิจกรรมสำหรับการผลิต C2+ ที่ความดันบรรยากาศ สามารถลด CO2 ไปเป็นเอทิลีน อีเทน โพรเพน และผลิตภัณฑ์ C2+ ที่มีลำดับสูงอื่นๆ ที่ความดันสูงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการเลือกสรรของผลิตภัณฑ์นั้นขึ้นอยู่กับความดัน CO2 อย่างชัดเจนในลักษณะของการเปลี่ยนแปลงความพร้อมของ CO2 ที่พื้นผิวอิเล็กโทรด (117, 120)ผลิตภัณฑ์รีดิวซ์หลักจะเปลี่ยนจาก H2 เป็นไฮโดรคาร์บอน (รวม C2+) และสุดท้ายเป็น CO/HCOOH โดยมีความดัน CO2 เพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความดัน CO2 ควรได้รับการตรวจสอบอย่างระมัดระวัง เนื่องจากความดัน CO2 สูงหรือต่ำมากเกินไปจะทำให้เกิดอัตราการแพร่กระจายของ CO2 มากเกินไปหรือจำกัด ซึ่งมีแนวโน้มที่จะสนับสนุนการผลิต CO/HCOOH หรือ H2เฉพาะปริมาณที่เข้ากันได้ของ CO ปานกลางและความหนาแน่นกระแสที่สร้างขึ้นบนพื้นผิวอิเล็กโทรดเท่านั้นที่สามารถเอื้อให้เกิดปฏิกิริยาคัปปลิ้ง C─C และเพิ่มความสามารถในการเลือกผลิตภัณฑ์ C2+ (119)

การออกแบบอิเล็กโทรดใหม่ที่มีโครงสร้างขั้นสูงเป็นอีกทิศทางที่สำคัญในการปรับปรุงการผลิต C2+ แบบคัดเลือกในระยะแรก อิเล็กโทรดที่ใช้งานจะเป็นฟอยล์โลหะไม่มีรูพรุน และประสบปัญหาการถ่ายโอนมวลที่เชื่องช้า (26, 105)เป็นผลให้มีการเสนอ GDE เพื่อบรรเทาประสิทธิภาพของเซลล์ที่ไม่ดีโดยจัดให้มีช่องทางที่ไม่ชอบน้ำซึ่งอำนวยความสะดวกในการแพร่กระจายของ CO2 ไปยังอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา (121)GDE ทั่วไปมักจะประกอบด้วยชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา (CL) และชั้นการแพร่กระจายก๊าซ (GDL) ดังแสดงในส่วนล่างของรูปที่ 8A (30, 33)ส่วนต่อประสานของตัวเร่งปฏิกิริยาก๊าซ-ของเหลว-ตัวเร่งที่เกิดขึ้นใน GDE มีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์GDL ที่ประกอบขึ้นด้วยวัสดุที่มีรูพรุน (โดยทั่วไปคือกระดาษคาร์บอน) สามารถให้ทางเดินของ CO2 ได้อย่างมากมายและรับประกันอัตราการแพร่กระจายของอิเล็กโทรไลต์อย่างรวดเร็วนอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นสื่อการขนส่งที่มีความต้านทานต่ำสำหรับโปรตอน อิเล็กตรอน และผลิตภัณฑ์รีดิวซ์จาก CL เข้าสู่อิเล็กโทรไลต์ (121)การหล่อแบบหยด การแปรงด้วยลม และการวางตำแหน่งด้วยไฟฟ้าเป็นเทคโนโลยีทั่วไปสำหรับการเตรียม GDE (122)ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบกับ GDE ได้รับการตรวจสอบอย่างเข้มข้นในการลดกระแสไฟฟ้าของ CO2 ให้กับผลิตภัณฑ์ C2+โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โฟลว์เซลล์ที่กล่าวมาข้างต้นซึ่งมีสมรรถนะที่ดีล้วนมาพร้อมกับ GDEในช่วงต้นปี 1990 Sammells และเพื่อนร่วมงาน (123 คน) รายงานว่า GDE ที่เคลือบ Cu ได้รับ FE สูงถึง 53% สำหรับเอทิลีน โดยมีความหนาแน่นสูง 667 mA cm−2การเพิ่มความสามารถในการเลือกสรรของเอทิลีนและเอธานอลถือเป็นความท้าทายที่สำคัญซึ่งมักจะเกิดขึ้นร่วมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Cu อยู่เสมอ เนื่องจากวิถีทางปฏิกิริยาทางกลไกที่คล้ายกันมากนอกจากนี้ สิ่งสำคัญคือต้องชี้ให้เห็นว่าประสิทธิภาพการผลิตและการเลือกเอทิลีนที่เพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับเอทานอลนั้นได้รับการสังเกตบน GDE ที่ใช้ Cu (25, 36)Gewirth และเพื่อนร่วมงาน (36) แสดงค่า FE ที่ดีเยี่ยมที่ 60% สำหรับเอทิลีน และ FE ที่ถูกระงับสำหรับเอทานอลที่ 25% บน Cu-Ag GDE ที่มีขั้วไฟฟ้า เมื่อความหนาแน่นกระแสรวมสูงถึง ~300 mA cm−2 ที่ −0.7 V เทียบกับ ร.ร.เป็นงานที่หายากซึ่งมีความสามารถในการเลือกสรรสูงที่ความหนาแน่นกระแสขนาดใหญ่การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าอิเล็กโทรดที่รวม GDE ทำให้เกิดแนวทางในการปรับวิถีการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งสามารถรับการเลือกสรรของผลิตภัณฑ์ที่ลดลงได้ที่ความหนาแน่นกระแสสูง

ความเสถียรของ GDE ยังเป็นประเด็นสำคัญที่ควรได้รับการแก้ไข เนื่องจากการทำงานในระยะยาวที่มีความเสถียรเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้เกิดการประยุกต์ใช้จริงสำหรับโฟลว์เซลล์แม้จะมีประสิทธิภาพ CO2-to-C2+ ที่โดดเด่นซึ่งทำได้ด้วย GDE แต่ความเสถียรยังคงต่ำเนื่องจากการยึดเกาะเชิงกลที่อ่อนแอของตัวเร่งปฏิกิริยา, GDL และชั้นสารยึดเกาะ (77, 124)พื้นผิวคาร์บอนของ GDL อาจเปลี่ยนจากไม่ชอบน้ำไปเป็นชอบน้ำในระหว่างปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เกิดขึ้นที่ศักย์ไฟฟ้าสูงเกินไป ซึ่งนำไปสู่การน้ำท่วมใน GDL และขัดขวางเส้นทางการแพร่กระจายของ CO2 (33)เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยได้รวมโครงที่ไม่ชอบน้ำของโพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) เข้ากับ GDEเมื่อเปรียบเทียบกับ Nafion ที่ชอบน้ำ ชั้น PTFE ที่ไม่ชอบน้ำจะทำให้มีความเสถียรในระยะยาวที่เหนือกว่า (33)ซาร์เจนท์และเพื่อนร่วมงาน (33) ประกอบตัวเร่งปฏิกิริยา Cu ระหว่าง PTFE และ NP คาร์บอนที่แยกออกจากกัน ซึ่งชั้น PTFE ที่ไม่ชอบน้ำสามารถตรึง NP และชั้นกราไฟต์ได้ ดังนั้นการสร้างส่วนต่อประสานอิเล็กโทรดที่มีความเสถียร (รูปที่ 8, I และ J)เป็นผลให้ FE สำหรับการผลิตเอทิลีนเพิ่มขึ้นเป็น 70% ในสารละลาย 7 M KOH ที่ความหนาแน่นปัจจุบันที่ 75 ถึง 100 mA cm−2อายุการใช้งานของเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลนี้ขยายออกไปมากกว่า 150 ชั่วโมงโดยสูญเสียความสามารถในการคัดเลือกเอทิลีนเล็กน้อย ซึ่งนานกว่า GDE แบบเดิมถึง 300 เท่า ดังแสดงในรูปที่ 8Kโครงสร้างแบบแซนวิชดังกล่าวได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นการออกแบบ GDE ที่ยอดเยี่ยมตัวอย่างเช่น Cui และเพื่อนร่วมงาน (124) ได้ออกแบบโครงสร้าง trilayer โดยมีชั้นอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่ซึ่งถูกตัดด้วยฟิล์มโพลีเอทิลีนที่มีรูพรุนขนาดนาโนที่ไม่ชอบน้ำสองแผ่นชั้นที่ไม่ชอบน้ำด้านนอกอาจทำให้ฟลักซ์ของอิเล็กโทรไลต์จากสารละลายเทกองช้าลง ส่งผลให้ค่า pH ในพื้นที่รอบๆ อิเล็กโทรดทำงานมีความเสถียรและสูงการเพิ่มประสิทธิภาพของพื้นที่ระหว่างชั้นซึ่งสามารถปรับปรุงการขนส่งและการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ก็มีความสำคัญเช่นกันในการออกแบบดังกล่าว (124)เมื่อเร็ว ๆ นี้ ท่อนาโนคาร์บอนได้ถูกรวมเข้ากับ GDEs เนื่องจากมีรูพรุนสูง มีการนำไฟฟ้าที่ดี และไม่ชอบน้ำ ซึ่งสามารถอำนวยความสะดวกในการขนส่งอิเล็กตรอนและมวลชน (77)

แม้จะมีความก้าวหน้าที่น่าตื่นเต้นใน ECR แต่กลยุทธ์สำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ C2+ ขนาดใหญ่ที่มีต้นทุนต่ำก็ไม่ค่อยปรากฏให้เห็น (125)ในขั้นตอนนี้ ความท้าทายและโอกาสเกิดขึ้นพร้อมๆ กันในการทำความเข้าใจกลไกปฏิกิริยาของ ECR และทำการค้าเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มนี้

ในฐานะที่เป็นโซลูชันที่หรูหราในการปิดวงจรคาร์บอนและกักเก็บพลังงานทดแทนที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น ลมและแสงอาทิตย์ จึงมีความก้าวหน้าอย่างมากเพื่อให้เกิดการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์อย่างมีประสิทธิภาพในทศวรรษที่ผ่านมาแม้ว่าความเข้าใจในกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับ ECR จะมีการพัฒนาไปมากนับตั้งแต่ยุคแรกๆ (126) แต่การเชื่อมต่อ C─C ผ่าน ECR ไปยังผลิตภัณฑ์ C2+ ยังห่างไกลจากความพร้อมสำหรับการใช้งานจริงในการทบทวนนี้ เราได้ดูรายละเอียดเกี่ยวกับกลยุทธ์ปัจจุบันที่สามารถส่งเสริมการเลือกและอัตราการผลิตสำหรับผลิตภัณฑ์ C2+ ผ่าน ECR รวมถึงการปรับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบละเอียด ผลกระทบของอิเล็กโทรไลต์ สภาวะเคมีไฟฟ้า และการออกแบบอิเล็กโทรด/เครื่องปฏิกรณ์เคมีไฟฟ้า

แม้ว่า ECR จะใช้ความพยายามอย่างเต็มที่ แต่ก็ยังมีปัญหามากมายเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาและระบบ ECR ในปัจจุบัน ซึ่งต้องได้รับการแก้ไขก่อนที่จะนำ ECR ไปใช้เชิงพาณิชย์ประการแรก ในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีอำนาจเหนือกว่าในการตระหนักถึงการเชื่อมต่อ C─C ที่มีประสิทธิภาพ Cu ทนทุกข์ทรมานจากปัญหาความเสถียรที่ร้ายแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ และไม่สามารถอยู่รอดได้เป็นเวลา 100 ชั่วโมงเนื่องจากการเคลื่อนตัวของอะตอมสูง การรวมตัวของอนุภาค และการเสื่อมสภาพของโครงสร้างภายใต้เงื่อนไข ECRดังนั้นวิธีการบรรลุความเสถียรในระยะยาวโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Cu ยังคงเป็นความท้าทายที่เปิดกว้างการยึดตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Cu บนการสนับสนุนเฉพาะที่มีการโต้ตอบที่แข็งแกร่งอาจเป็นกลยุทธ์ที่เชื่อถือได้ในการรักษาโครงสร้าง/สัณฐานวิทยาของตัวเร่งปฏิกิริยา และทำให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้นนอกจากนี้ การใช้อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนโพลีเมอร์เพื่อทดแทนสารละลายที่เป็นน้ำในระหว่าง ECR อาจจะสามารถปรับปรุงความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาที่มี Cu ได้ดียิ่งขึ้นนอกจากนี้ จากมุมมองของตัวเร่งปฏิกิริยา เทคนิคการกำหนดลักษณะเฉพาะในแหล่งกำเนิด/ในตัวถูกดำเนินการ และการสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีควรใช้ในการติดตามและทำความเข้าใจการสลายตัวของประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้น ในทางกลับกัน เป็นการยับยั้งการย่อยสลายและความเป็นพิษของตัวเร่งปฏิกิริยาให้อยู่ในระดับต่ำสุดปัญหาสำคัญอีกประการหนึ่งของตัวเร่งปฏิกิริยา ECR ที่ควรได้รับการแก้ไขคือการทำให้โปรโตคอลการสังเคราะห์สามารถทำงานได้สำหรับการผลิตจำนวนมากด้วยเหตุนี้ แนะนำให้ปรับปรุงขั้นตอนการสังเคราะห์โดยใช้วัตถุดิบตั้งต้นที่มีอยู่อย่างแพร่หลาย

ประการที่สอง C2+ ที่สร้างออกซิเจนจาก ECR มักจะผสมกับตัวถูกละลาย (เช่น KHCO3 และ KOH) ในอิเล็กโทรไลต์สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ H- หรือโฟลว์เซลล์แบบดั้งเดิม ซึ่งต้องใช้กระบวนการแยกและการทำให้เข้มข้นเป็นพิเศษเพื่อนำสารละลายเชื้อเพลิงเหลวบริสุทธิ์กลับมาใช้ใหม่ การใช้งานจริง.ในเวลาเดียวกัน ไฮโดรคาร์บอน C2+ ที่พัฒนาแล้วยังผสมกับ H2 และ CO2 ที่เหลืออีกด้วยดังนั้นกระบวนการแยกที่มีค่าใช้จ่ายสูงจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับเทคโนโลยี ECR ในปัจจุบัน ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้งาน ECR ในทางปฏิบัติดังนั้น วิธีการผลิตสารละลายเชื้อเพลิงเหลวบริสุทธิ์และก๊าซไฮโดรคาร์บอนบริสุทธิ์โดยตรงและต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์สูง จึงเป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับการใช้งาน ECR ในทางปฏิบัติดังนั้นเราจึงคาดการณ์ถึงความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของการผลิตผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์โดยตรงผ่าน ECR ในอนาคตอันใกล้นี้ ซึ่งอาจนำเทคโนโลยี ECR เข้าใกล้ตลาดมากขึ้น (127)

ประการที่สาม ในขณะที่การก่อตัวของพันธะ C─O และ C─H เช่น เอทานอล กรดอะซิติก และเอทิลีน ในเทคโนโลยี ECR ได้รับการศึกษาอย่างหนัก การสำรวจผลิตภัณฑ์ประเภทอื่นๆ ก็มีความสำคัญสำหรับเทคโนโลยี ECR เช่นกัน และแสดงให้เห็นถึงความสนใจทางเศรษฐกิจตัวอย่างเช่น เมื่อเร็วๆ นี้ Han และเพื่อนร่วมงาน (128 คน) รายงานการผลิต 2-โบรโมเอทโนลโดย ECRการก่อตัวของพันธะ C─Br ในแหล่งกำเนิดจะเปลี่ยนผลิตภัณฑ์จากเอทานอลเป็น 2-โบรโมเอทโนล ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญในการสังเคราะห์ทางเคมีและเภสัชกรรม และแสดงมูลค่าเพิ่มที่สูงกว่าดังนั้น นอกเหนือจากผลิตภัณฑ์ C2+ ที่ได้รับการศึกษาเป็นอย่างดีในปัจจุบัน เราเชื่อว่าการกำหนดเป้าหมายไปยังผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ไม่ค่อยมีการสำรวจ เช่น กรดออกซาลิก (129) และการสังเคราะห์โมเลกุล C2+ ที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น สารประกอบไซคลิก เป็นอีกเส้นทางหนึ่งที่น่าหวังสำหรับการวิจัย ECR ในอนาคต

สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด การออกแบบอิเล็กโทรดและเครื่องปฏิกรณ์แบบใหม่ เช่น GDE แบบกันน้ำ เซลล์การไหลของของเหลว และเซลล์ PEM ควรถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเพื่อเพิ่มอัตราการผลิต ECR ให้อยู่ในระดับเชิงพาณิชย์ (>200 mA cm−2)อย่างไรก็ตาม จะสังเกตเห็นความคลาดเคลื่อนอย่างมากในฤทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าเสมอเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้ากับการทดสอบแบบเต็มเซลล์ดังนั้น ควรมีการศึกษาอย่างเป็นระบบมากขึ้นเพื่อลดช่องว่างระหว่างการศึกษาแบบครึ่งเซลล์และการประยุกต์ใช้อุปกรณ์เต็มเซลล์ เพื่อนำ ECR จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้งานจริง

โดยสรุป การลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยไฟฟ้าเคมีเป็นโอกาสที่ดีสำหรับเราในการจัดการกับปัญหาสิ่งแวดล้อมจากก๊าซเรือนกระจกที่ปล่อยออกมาจากกิจกรรมของมนุษย์นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการบรรลุเชื้อเพลิงและสารเคมีที่สะอาดโดยใช้พลังงานหมุนเวียนในขณะที่ความท้าทายมากมายยังคงอยู่สำหรับเทคโนโลยี ECR ในขั้นตอนปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการเชื่อมต่อ C─C เชื่อกันว่าด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องทั้งในด้านการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาและความสมบูรณ์แบบของเซลล์ มุมมองของกระแสไฟฟ้า CO2 ในโลกแห่งความเป็นจริงสำหรับเชื้อเพลิงสะอาด และสารเคมีจะเกิดขึ้นจริงในอนาคตอันใกล้นี้

นี่เป็นบทความแบบเปิดที่เผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของใบอนุญาต Creative Commons Attribution-NonCommercial ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดๆ ก็ได้ ตราบใดที่ผลลัพธ์การใช้งานนั้นไม่แสวงหาผลประโยชน์ทางการค้าและต้องจัดให้มีงานต้นฉบับอย่างเหมาะสม อ้างถึง

หมายเหตุ: เราเพียงขอที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อให้ผู้ที่คุณแนะนำเพจทราบว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็นและไม่ใช่อีเมลขยะเราไม่ได้บันทึกที่อยู่อีเมลใด ๆ

© 2020 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์สงวนลิขสิทธิ์.AAAS เป็นหุ้นส่วนของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548