和現代工業化過程中化石燃料的工業精煉過程相比，電催化合成能夠用于各種可再生能源領域實現環境保護、可持續角度。電催化合成有望在去化石燃料化、脫碳、為化學工業提供新選擇等實現發展。實現電化學精煉的關鍵之處在于，優化用于切斷H、C、O、N原子之間的化學鍵的電催化劑，但是和研究較為深入的反應（ORR，水分解等）相比而言，材料設計的相關機理實現復雜步驟電催化反應還未得到深入理解和解決。

    有鑒于此，阿德萊德大學喬世璋等綜述報道了對異相電催化劑、相關基礎電催化反應進行簡介和完整的展示，隨后將此類發現用于設計材料、對反應中間體和反應過程進行設計和控制，為實現提高電催化領域的發展進行展望和總結。

本文要點

要點1. 和傳統的化石能源精煉、化學工業相比，電催化技術具有廣泛優勢和多種用途，這是因為電催化方法的活性和產物選擇性都較高，而且能夠通過催化劑、電解液、界面、電勢等進行調控，同時解決了化石燃料使用、CO₂釋放、有毒試劑等問題。電催化分解水和CO₂還原已經發展了數十年，但是電催化反應、電催化劑、應用等角度仍需要進一步優化。

要點2. 展示了通過目標化學鍵轉化、關鍵中間體物種角度進行討論，對C-N鍵偶聯、選擇性加氫、級聯催化等電催化反應的溶液相異相催化反應進行設計。這種“自下而上”的設計方法能夠促進電催化工業領域的發展，實現通過可再生能源進行電催化合成重要化學品。此外，建立了材料、反應機理之間從簡單反應到復雜反應之間的區別和聯系，從關鍵中間體吸附、活化-吸附能火山曲線、標度關系等角度討論。

要點3. 為了有效的將反應中間體物種、電催化反應過程進行控制，發展電子結構、反應位點具有特點的電催化劑（高熵材料、合金、納米金屬-基底復合結構）非常關鍵，引入革新性材料工程化自由度（人工酶、納米限域、通過分子增強催化活性、氫鍵網絡、界面工程化）等。對于復雜反應中間體物種、反應過程，除了材料之外的其他角度（過電勢、催化劑性質、電子轉移動力學、催化劑-電解液界面、電解液/溶劑效應、傳質過程）都能夠影響催化反應活性和反應選擇性。通過目前發展的一些原位表征方法（原位ATR-IR、原位XRD、原位XPS、原位XAS、原位TEM等）有望顯著改善對真實的反應位點、反應關鍵中間體物種進行表征。此外，目前出現的operando計算模型有助于深入理解異相電催化反應過程中除了反應活化能、熱力學等問題之外的問題進行理解，比如過電勢相關活化能、中間體覆蓋度/pH值效應/吸附物-吸附物之間的作用。

要點4. 作者認為，通過operando計算、operando表征技術結合，有望實現對關鍵性影響反應因素進行理解，對工作過程中的反應機理加深理解。實現系統性的對反應、催化劑進行綜合性設計和理解。

要點5. 通過對催化過程、電極、電解液、反應器等問題進行設計，一些研究工作在實現工業相關性能、經濟性競爭性等角度上的制氫、制H₂O₂、CO、硝酸銨、環氧乙烯等實現了進展。作者認為本文綜述有望實現提高電催化反應的高速發展，從含量豐富原料（CO₂、H₂O、N₂、生物質）出發合成燃料、化學品。

Cheng Tang, Yao Zheng, Mietek Jaroniec, Shizhang Qiao*, Electrocatalytic Refinery for Sustainable Production of Fuels and Chemicals, Angew. Chem. Int. Ed. 2021

DOI: 10.1002/anie.202101522

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202101522

文章來源：催化計（微信公眾號） 作者： 微著