综述：将分子电催化剂从实验室烧瓶中释放出来：应用于实际CO2电解的分子电催化剂——一篇介绍性综述

这篇综述系统阐述了分子电催化剂在规模化CO2电解系统（如流动池FC和零间隙电解槽ZGE）中的应用进展，重点探讨了气体扩散电极（GDE）设计、催化剂固定化策略及反应机理，为开发高效稳定的工业级CO2还原（CO2R）系统提供了关键见解。

　　

从实验室到工业化：分子电催化剂的进阶之路

近年来，电化学CO₂还原（CO₂R）作为可持续生产碳基化工原料的重要途径备受关注。其中，过渡金属配合物因其可调控的配体环境和金属中心特性，展现出独特的催化潜力。然而，传统均相催化体系难以满足规模化需求，推动分子催化剂向气体扩散电极（GDE）和流动电解系统（如FC和ZGE）的转型成为研究热点。

气体扩散电极：突破质量传输瓶颈

GDE通过构建气-液-固三相界面，将CO₂扩散路径从50 μm缩短至50 nm，使电流密度突破1 A/cm²成为可能。其核心组件包括：

• 气体扩散层（GDL）：碳纤维与聚四氟乙烯（PTFE）复合结构，平衡透气性与防水性
• 微孔层（MPL）：碳颗粒与PTFE的复合层，优化导电性和气体分布
• 催化层（CL）：分子催化剂通过π-π堆叠或共价键固定在碳载体（如CNTs）上

然而，电极 flooding（电解液渗透）和碳酸盐结晶仍是GDE长期稳定的主要挑战。采用Cs⁺电解质、优化PTFE含量及控制操作压力（如2-10 bar）可显著缓解这些问题。

电解槽设计：FC与ZGE的博弈

• 流动池（FC）：液态阴极室设计适合液体产物（如甲酸），最高实现1147 mA/cm²的CO选择性电流（CoPc/CNT体系）
• 零间隙电解槽（ZGE）：固态聚合物电解质（SPE）提升能效，但膜选择（AEM/CEM/BPM）直接影响产物分布。例如，AEM在碱性条件下可实现900 mA/cm²的CO产率（Ag-BIAN催化剂），但CO₂利用率受限于碳酸盐交叉

分子催化剂性能排行榜

钴酞菁（CoPc）及其衍生物占据主导地位：

• 最高电流密度：1147 mA/cm²（FE_CO 90%），通过球磨法制备CoPc晶体电极
• 最佳稳定性：Ag-BIAN在ZGE中连续运行110小时（300 mA/cm²），FE_CO衰减率仅0.01%/h
• 酸性突破：CoPc/CNT在pH=2条件下实现850 mA/cm²的CO产率，颠覆传统碱性依赖

超越CO：多碳产物的曙光

铜基分子体系展现出C₂₊产物潜力：

• 铜卟啉CuTDHPP在H型电解槽中实现CH₄（FE 27%）和C₂H₄（FE 17%）联产
• FeTPP/Ni复合电极创纪录地实现乙醇FE 68%（31 mA/cm²），归因于金属-分子界面电子调控

未来挑战与机遇

1. 机理解析：开发原位表征技术追踪电极表面分子结构演变
2. 工程优化：开发适用于ZGE的阴离子交换离聚物替代Nafion
3. 规模化合成：简化催化剂制备流程（如单步合成的Ag-BIAN）
4. 系统集成：匹配工业级电堆的压缩/热管理需求（300-1500 cm²活性面积）

分子电催化剂正逐步突破实验室边界，其质量活性优势（较异相催化剂高10-100倍）和原子级可调性，为CO₂电解的工业化提供了独特解决方案。未来的突破将依赖于化学家与工程师的深度协作，共同攻克从纳米级活性位点到米级电堆的系统性挑战。