综述：通过金属配位策略实现3D打印软物质的动态结构调控与多功能集成

《Coordination Chemistry Reviews》：Dynamic structural regulation and multifunctional integration of 3D printed soft matter via metal coordination strategies

CO?电化学还原中电解质作为活性成分调控反应路径、选择性及稳定性，提出电解质中心设计框架，结合界面电场与溶剂化效应优化催化剂性能和规模化应用。

　　

阿什法克·艾哈迈德（Ashfaq Ahmad）、费克里·阿卜杜勒拉凯布·艾哈迈德·阿里（Fekri Abdulraqeb Ahmed Ali）、穆罕默德·肖艾布（Muhammad Shoaib）、邢发子（Xingfa Zi）、坦维尔·艾哈迈德（Tanveer Ahmad）、穆罕默德·易卜拉欣（Mohammad Ibrahim）、艾哈迈德·S·阿尔-法特什（Ahmed S. Al-Fatesh）、鲁斯特姆·R·扎伊罗夫（Rustem R. Zairov）、何永泰（He Yongtai）、法扎尔·拉齐克（Fazal Raziq）

中国楚雄师范学院物理、电气与能源工程学院，楚雄675000

摘要

二氧化碳（CO₂）的电化学还原在缓解气候变化方面具有巨大潜力，因为它可以利用可再生能源将多余的CO₂转化为有用的产品。这一过程为储存间歇性能源提供了途径，并提供了一种能源中性的燃料和化学品来源。过去，该领域的进展主要集中在催化剂的研究上，而对电解质作为活性组分的重要性关注较少。最近的研究表明，电解质对电极-电解质界面处的所有微观过程都有影响，这些过程影响着离子的排列、溶剂化结构、电场以及局部质子的管理。所有这些因素都会影响催化剂的反应活性、选择性和稳定性。本文将电解质视为反应中的关键参与者，探讨了阳离子、阴离子和溶剂如何引导不同的反应路径，包括CO₂转化为CO以及更复杂的碳氢化合物。我们的目标是通过结合界面机理知识与放大技术，开发出一个以电解质为中心的设计框架。我们旨在通过调控电场和选择性溶剂化来实现长期运行的稳定性。分子化学与器件工程之间的紧密结合，为使CO₂电化学还原过程不仅得到优化，而且成为实现碳中和的关键技术提供了明确的方向。

部分内容摘录

引言：电解质在CO₂电化学还原中的重要作用

大气中二氧化碳（CO₂）含量的持续增加是全球气候变化的主要因素之一，这引发了人们对碳捕获和转化技术的关注。电化学CO₂还原（CO₂RR）是一种可能的减排方法，可以将CO₂转化为一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲烷（CH₄）和乙烯（C₂H₄）等碳氢化合物。

电解质界面相互作用的基础

在CO₂电化学还原过程中，电解质并非仅仅是离子的被动导体，而是一个活性元素。它决定了界面的结构，稳定了反应中间体，并调节了CO₂还原与氢气释放之间的竞争。通过控制阴离子和阳离子的分布、溶剂化作用以及局部pH值，电解质创建了一个可调的纳米级环境，将宏观性质与电解质-催化剂界面的性质联系起来。

电解质对选择性的影响

电化学CO₂还原通常不会只产生一种产物，而是通过多种竞争路径生成CO、甲酸、碳氢化合物和H₂。除了催化剂结构外，电解质的组成和动态特性对反应动力学和产物分布也有重要影响，实际上起到了辅助催化剂的作用。因此，通过调整离子种类、溶剂化结构或质子的可用性，可以在不改变催化剂表面的情况下调节选择性。

电解质对稳定性的影响

催化剂稳定性是CO₂电化学还原（CO₂RR）面临的主要挑战，尤其是在实验从短期实验室测试扩展到工业应用所需的电流密度时。常见的降解过程包括金属的溶解和再沉积、电位驱动的表面重构、电解质引起的中毒、多孔电极中的盐沉淀以及机械损伤等。

电解质工程策略

电解质工程已成为电化学CO₂还原（CO₂RR）领域中最具前景但开发程度相对较低的方面之一。除了作为离子导体的传统作用外，电解质还控制着与局部pH值、CO₂溶解度、质量传输以及电极-电解质界面动态重组相关的物理化学环境。

挑战与限制

尽管电解质工程在电化学二氧化碳还原（CO₂RR）中具有巨大潜力，但目前仍存在科学和实践上的局限性。研究人员尚未建立起系统的研究方法。

未来发展方向与机遇未来电化学CO₂还原（CO₂RR>的发展将依赖于电解质作为活性辅助催化剂的角色，以调节界面电场、质量传输和溶剂化过程。电解质直接影响质子的可用性、离子配对以及双电层结构，从而影响CO₂的活化机制、C-C键的形成动力学和选择性。尽管催化剂设计和反应器工程已经取得了进展，但仍需进一步探索。

结论与展望

电解质的设计已成为实现CO₂电化学还原（CO₂RR）工业化应用的关键因素。电解质控制着CO₂在水相、离子液体、非水相和固相表面上的反应条件，调节局部pH值、界面电场和溶剂化结构，从而显著影响反应活性、选择性和长期稳定性。由于高电流密度的需求，水基系统仍然具有必要性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了“中国云南省地方高校项目”（项目编号：202101BA070001-039）和楚雄师范学院启动基金（BSQD2504）的支持。作者同时感谢伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University）在项目支持（IMSIU-DDRSP2503）方面的贡献。此外，该工作还得到了喀山联邦大学战略学术领导计划（PRIORITY-2030）的支持。

作者贡献

本手稿由所有作者共同完成，所有作者均对最终版本表示认可。