Advanced Materials:电催化CO2还原的电极材料工程:能量输入和转化效率

目前,全球化石燃料燃烧每年产生的二氧化碳(CO2)排放量约为35.5亿吨,而绿色植物和自养生物每年消耗CO2的总量(200 Mt)还不到上述排放总量的6%,进而导致了全球变暖等诸多环境问题。因此,如何有效地消耗大气中的CO2成为全人类面临的最紧迫的任务之一。电催化CO2还原技术(ECR)是一项很有前途的技术,它能够将大气中的CO2转化为工业生产或日常生活所需的原料,同时缓解CO2所引起的环境问题和日益增加的能源需求压力。近年来,各种新型多相阴极催化剂的设计制备使得ECR系统的转化效率得到长足的发展。此外,借助多种新型阳极材料,一些可持续能源在ECR系统中直接进行转换,进而降低了该体系的外界电能消耗。因此,为了促进ECR系统的进一步发展,亟需对其在这两方面的发展做出总结。

南京大学朱俊杰教授课题组和美国华盛顿州立大学的林跃河教授课题组利用“电极材料”这一概念,将ECR系统在能量输入和转换效率这两方面的发展有机地整合起来。基于阳极材料和所用能源性质的不同,他们详细地论述了三种ECR系统的基本原理,包括光电阳极辅助ECR系统和生物阳极辅助ECR系统以及传统ECR系统。同时,他们还对ECR系统的阴极反应机理和反应途径进行了阐述。随后,他们重点介绍了多种阳极材料以及阴极多相催化剂,并讨论了提高阳极能量转化效率以及阴极CO2转化率和选择性的电极材料设计策略。此外,作者也介绍了阳极材料和阴极催化剂所面临的新挑战和未来的发展方向。

作者相信,此项研究工作将会为电催化CO2还原技术的发展带来新思考,有望成为该领域中能量输入方式和多相催化剂交叉研究的新起点。这一新起点的建立,不仅能够为电催化CO2还原技术的发展注入新活力,而且也将会在可持续能源储存的新时代舞台上绽放光芒。相关结果以“Electrode Materials Engineering in Electrocatalytic CO2 Reduction: Energy Input and Conversion Efficiency”为题,在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201903796)上。