综述：电化学能源技术：当前进展与面向可持续能源转型的未来机遇

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Electrochemical energy technologies: Current progress and future opportunities for sustainable energy transitions

　　

从基于化石燃料的系统向可再生能源转型，是实现全球净零排放与可持续发展目标的核心。然而，太阳能、风能和生物质等可再生能源技术的大规模部署，不仅要求清洁能源发电，更需要可持续的储能、转换与利用方案。本综述探讨了电化学转换技术在这一转型中的关键作用，重点关注由可再生电力驱动的绿色制氢、生物质升级转化为平台化学品，以及温和条件下二氧化碳还原为高附加值产品的过程。研究人员强调，将这些电化学系统整合至循环的碳中性能量网络中，可弥合可再生能源发电与工业规模化学品生产之间的鸿沟。此外，本文审视了这些技术广泛应用所面临的现有壁垒与新兴机遇。有别于传统综述仅局限于科学层面，研究人员还从独特视角分析了与上述技术相关的社会经济前景，探讨其推广应用如何逆转当前能源技术的负面影响。文章同时探索了人工智能(AI)在加速催化剂发现、自动化反应机理解析以及器件制造优化方面的潜力。综上，本工作勾勒出一条通向可扩展、智能化与可持续电化学技术的路线图，以推动全球向净零能源未来的转型。

1. 1.
   Introduction
   世界正面临威胁地球承载能力的重大挑战，包括自然系统退化、极端贫困、粮食不安全及生物多样性丧失；同时，未能逆转的气候变化带来经济失稳、极端天气与社会不平等加剧的风险。能源既可缓解亦可加剧上述社会环境问题：一方面，能源是医疗、教育、粮食与交通等人类福祉基石；另一方面，基于化石燃料的能源活动造成了气候变化、生态破坏、健康风险及能源贫困。因此，亟需探索能够大规模替代现有基础设施、降低环境影响并尊重社会需求的新型能源方案。

1.1. Energy transitions to sustainability

能源因其对社会与环境系统的深刻影响而成为可持续发展研究焦点。尽管可再生能源在全球能源结构中占比逐年上升，但截至2022年，石油(31.57%)、煤炭(26.73%)与天然气(23.49%)仍主导全球能源组合，能源部门贡献了超四分之三的温室气体排放，2013年全球排放量达57.1 GtCO₂e。化石燃料开采导致栖息地破坏与空气污染，2018年造成超800万人死亡，并对弱势社群产生不平等影响。2023年联合国气候大会(COP28)指出，实现气候承诺需将全球可再生能源装机提升至至少11000 GW（2023年为3864 GW）。可再生能源成本已低于化石能源，且能改善空气质量、保护生物多样性并促进能源民主。然而，低碳技术创新在市场嵌入中处于劣势，需利基保护空间及多元主体治理支持；同时须应对可再生能源在资源开采、土地利用及环境正义方面的权衡。在此背景下，电化学转换技术作为可再生能源基础设施的关键组件，可在治理与社会框架成熟前提供系统集成与可持续性效益。

1.2. Alternative sustainable energy pathways

自1992年里约地球峰会以来，全球推进可持续发展，但除经济衰退与疫情年份外全球能源消费持续增长，可再生能源增速虽快却未扭转化石依赖。水电、风电与光伏为主流可再生电源，但受地理与间歇性限制。电化学转换可将过剩电力用于盈利性存储与制造，即电力转化燃气(Power-to-Gas)与电力转化X(Power-to-X)。例如水电解制氢可用作能源载体；二氧化碳电还原制甲醇能量密度高于氢，便于储运；人工光合作用可实现电化学食品生产，拓展可持续制造边界。

1. 2.
   Electrochemical conversion technologies
   2.1. Electrochemical CO₂ reduction (ECR) products
   ECR制取高附加值化学品是应对气候变化与能源危机的可持续路径，可转化间歇绿电并利用CO₂生产超16种产物，如一氧化碳（合成气组分）、甲酸、甲醇、甲烷、乙醇、乙烯与丙醇，近期研究亦实现经乙炔路径向芳烃的级联转化。两电子转移产物（CO、甲酸）选择性高；多电子产物因热力学爬坡需精准催化剂。铜基/非铜基、均相/多相催化剂被广泛研究，但仍需调控电解质、电化学条件、膜与电解槽构型以推进商业化。目前C₁产物接近经济可行，C₂产物在研，C₂₊产物仍处早期。

2.2. Hydrogen production from biomass

氢可深度脱碳炼油、化工、钢铁及交通等领域，但96%的氢源于化石燃料重整。新兴生物质平台分子阳极制氢取代析氧反应(OER)，在碱性常温条件下通过C-H键断裂释放氢并获得增值品，如5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛与甲醛。铜基催化剂面临价态过氧化失活，可通过银包覆等双金属策略稳定。该耦合体系亦可并联ECR构成阳极生物质转化?阴极CO₂还原的双益系统。然而铜与铂资源开采造成生态足迹，亟需开发生物催化剂等绿色替代并贯彻催化剂全生命周期管理与循环经济原则，避免二次污染。

2.3. Other products from biomass

电催化生物质还可制取非氢产品：纤维素源HMF氧化为2,5-二甲酰呋喃(DFF)等；甘蔗与植物油虽富含碳但引致粮食安全隐患；非食用农业废弃物木质素经热解或电氧化可制备稳定燃料与香兰素等芳香品；甘油副产物可转换至乳酸等工业品，彰显废弃碳资源化潜力。

2.4. Barriers and opportunities for the adoption of available technologies to produce highly valued products

上述技术放大受限于催化剂设计偏重模型分子而非工业级杂质生物质，且缺乏中试数据与技经分析(TEA)。ECR实验室至工业规模存在六数量级面积鸿沟，气体扩散电极(GDE)电解槽虽进步仍受选择性低与产物交叉困扰。TEA指明CO与甲酸需>200 mA/cm²、多碳醇类需>300 mA/cm²方可规模化，且须低过电位长时运行。机器学习(ML)可通过高通量筛选弥补试错缺陷，加速材料发现。

1. 3.
   Technological impacts of artificial intelligence (AI) in sustainable electrochemical energy conversion technologies
   AI已用于光伏带隙预测、氧化还原液流电池电解质挖掘及钠/锂离子电池电极设计，但在电化学领域主要加速电催化剂开发与器件优化。传统表征依赖密度泛函理论(DFT)结合实验，复杂反应如木质素 valorization 中间体网络令DFT难解。自动化AI模型可追踪生物质电氧化/还原途径，依文献绘制的初级酸、醛、呋喃与醇产物图谱显示蓝框氧化、红框还原物。AI借助分子计算与数据驱动捕获结构?性能关系，理性设计电极/电解质以抑制过氧化并提升法拉第效率与目标产物收率。
2. 4.
   Conclusion and outlook
   能源兼具环境损害成因与解方。转型可再生系统需利基保护与跨主体知识共建。尽管可再生装机增，化石容量亦增，须真正削减后者。ECR与生物质电气化提供存储与制造新径，但粮作物路线有粮食安全争议，木质素废弃转化更妥。AI自动化赋能绿色催化剂筛查、电解槽放大与复杂机理阐释，遏制非目标副路。全球净零须协同太阳能、风能及生物质转化存储、绿色燃料制造与CO₂循环回收，构筑韧性社会与可持续能源未来。