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摘要
自工业革命以来, CO2的过量排放导致了环境污染和气候变化,对人类可持续发展造成了极大的威胁.由可再生电力驱动的电催化CO2还原反应(CO2RR)技术可在较温和的条件下将CO2转化为高附加价值的燃料和化学品,因而是一种有效的CO2转换和利用的方法.尽管电催化CO2RR已经取得了较大的研究进展,但其工业化应用依旧面临着许多挑战:CO2RR的反应路径涉及多步电子-质子转移,其产物组分较复杂(包括C1到C3的产物),并且反应过程伴随着析氢反应(HER)副反应发生.此外,不同电催化剂的使用以及实验操作条件均对CO2RR影响较大,导致目前CO2RR催化剂性能尚不够理想,因而难以获得实际应用.为进一步开发性能良好的电催化CO2RR体系,以及认识实际反应过程中催化体系真正的活性位点,理解电催化剂表面结构演变机制至关重要.本文综述了CO2RR条件下非均相催化界面的动态演变行为.首先,本文讨论了催化界面动态演变的原理和分类.催化剂结构在实时工况下会发生演变,导致活性位点难以确定,因此需要明确催化界面动态演变的机制.动态演变行为主要分为催化剂表面形态演变和性质演变:表面形态演变主要指原子重排或迁移,该过程由热力学和动力学驱动;性质演变主要是化学态发生改变,它是催化剂表面性质和外界环境共同作用的结果.目前,大多数的研究都围绕着催化剂表面和次表面活性位点展开,所讨论的影响催化剂性质的因素主要包括化学组成、晶面和表面形态等.除催化剂内在性质外,还详细讨论了影响动态演变的外界环境因素,包括外加电位、温度、电解质以及杂质等.外加电位是影响催化界面的主要因素,电解质中的阴阳离子也对反应选择性有较大的影响.为了更好地认识反应过程中催化剂表面的活性位点,总结了光谱表征、X射线表征、微观表征等技术在研究催化界面动态演变行为中的应用.特别地,脉冲CO2电解技术可以调节催化界面的动态演变行为,进而更好地调控反应的活性和选择性.在此基础上,理论模拟方法如密度泛函从头算和机器学习等方法,可以模拟环境条件驱动下的催化剂表面重构,为动态演变机制提供新的认识.本文还总结了当前研究电催化还原CO2反应界面的动态演变行为所面临的问题和挑战,并展望了CO2RR未来的研究方向.
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单位黄河科技学院; 西安交通大学
