电催化甲烷增值转化中C2+产物的研究进展

《Green Chemistry》：Research progress in C2+ products in electrocatalytic methane valorization

本文推荐来自国内的研究人员针对传统热催化甲烷转化存在的高温高压条件苛刻及C1产物选择性主导等问题，开展了电催化甲烷氧化合成高值C2+产物（如乙醇、乙烯）的研究。文章系统探讨了直接/间接C-C耦合及非耦合功能化等反应路径，并总结了界面工程、单原子设计等提升催化性能的关键策略，结合技术经济分析为实现可持续且经济可行的甲烷转化应用指明了方向。

　　

作为一种强效的温室气体，将甲烷高效增值转化为高价值的C₂₊产物（例如乙醇、乙烯和丙醇）对于实现碳中和目标至关重要。传统的热催化路线受限于高温高压条件以及以C₁产物为主的选择性，无法满足碳资源循环经济的需求。电催化甲烷氧化因其温和的反应条件以及可控的电子转移特性，为C₂₊化合物的定向合成提供了新的机遇。然而，产物选择性受到涉及C–C耦合动力学、中间体吸附强度以及竞争性氧化反应的复杂耦合机制的制约。本文展望中，我们讨论了电化学合成C₂₊产物的反应路径（直接C–C耦合、间接C–C耦合以及非耦合功能化路径），并概述了提升催化性能的关键策略，包括界面工程、异质结构、单原子设计、协同效应以及空位修饰。此外，我们总结了新兴的催化反应工程方法以优化反应性能。最后，通过强调甲烷来源（化石来源与生物质来源）对经济可行性的关键影响，并结合对乙醇的技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）以及与电催化二氧化碳还原（CO₂ Reduction）路线的对比分析，提出了反应系统的优化方向。同时，展望了未来高电流密度催化系统的发展前景，旨在推动电催化甲烷转化朝着真正可持续且经济可行的应用方向发展。