综述：铜基催化剂在二氧化碳电还原中的应用：从催化剂设计到实际应用

《Electrochemical Energy Reviews》：Engineering Cu-based Catalysts for CO2 Electroreduction: from Catalyst Design to Practical Applications

这篇综述系统阐述了铜基（Cu-based）催化剂在电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）中的最新研究进展，重点探讨了反应机理、催化剂设计（包括活性位点调控和产物选择性优化）、稳定性提升策略以及电解槽技术发展，为可再生能源驱动CO2转化为高附加值C1/C2+化学品提供了重要指导。

　　

Abstract

在全球温室效应和能源短缺背景下，利用可再生电力将二氧化碳（CO₂）转化为高附加值燃料和化学品具有重要意义。铜基（Cu-based）催化剂在电化学CO₂还原反应（CO₂RR）中因其独特的C-C偶联能力，成为制备C₁（如甲酸、CO）和C₂₊（如乙烯、乙醇）化学品的关键材料。本文详细解析了通过催化剂表面工程、晶面调控和合金化等手段提升选择性的最新策略。

反应机理

CO₂RR在铜表面的反应路径涉及COOH和CO等关键中间体。研究表明，Cu(100)晶面对乙烯生成具有特异性，而Cu(111)更利于甲烷形成。通过原位光谱技术观察到，氧化物衍生铜（OD-Cu）可形成丰富的晶界缺陷，显著提升C₂₊产物法拉第效率至70%以上。

催化剂设计

纳米结构调控方面：多孔铜纳米线可将乙烯选择性提高3倍；单原子铜掺杂氮化碳（Cu-N-C）体系对CO选择性达95%。双金属策略中，Cu-Ag合金能抑制析氢反应（HER），而Cu-Sn组合可定向生成甲酸盐。值得注意的是，表面氨基功能化使甲酸产率提升8.6倍。

稳定性挑战

铜催化剂面临的主要失活机制包括：1）表面重构导致的活性位点损失；2）碳酸盐沉积堵塞孔隙。解决策略涵盖：原子层沉积（ALD）保护层、离子液体电解质调控、以及脉冲电位法等，可将操作寿命延长至>100小时。

电解槽进展

从H型电解槽到膜电极组装（MEA）系统，电流密度已突破1A/cm²。气体扩散电极（GDE）设计使全电池能效达到45%，而微流体反应器可实现产物即时分离。特别值得关注的是，串联催化系统将CO₂-to-乙烯转化效率提升至创纪录的65%。

未来研究应聚焦于：1）operando表征技术揭示真实活性位点；2）机器学习辅助催化剂筛选；3）千瓦级电解系统集成。这些突破将推动CO₂RR技术从实验室走向工业化应用。