把二氧化碳变废为宝：铜催化剂如何助力清洁能源

你有没有想过，空气中随处可见的二氧化碳，有一天也能变成有用的东西？随着全球对可再生能源和减少碳排放的需求不断增加，CO2电还原（CO2RR）技术得到了越来越多的关注。特别是将CO2还原为高附加值的化学品如乙烯和乙醇更是成为了研究热点。然而，这种转化所涉及的确切机制和中间步骤至今仍未揭晓。

弗里茨哈伯研究所界面科学系和加泰罗尼亚化学研究所的一项开创性研究，利用先进原位表面增强拉曼光谱 (SERS) 和密度泛函理论 (DFT) 研究铜 (Cu) 电催化剂上的分子种类，从而深入了解反应机制。他们的研究结果表明，当特定中间体（称为 *OC-CO(H) 二聚体）在配位不足的 Cu 位点上形成时，就会形成乙烯。相反，乙醇的生产需要 Cu 位点高度压缩和扭曲的配位环境，关键中间体是 *OCHCH ₂。这项研究揭示了将二氧化碳 (CO 2 ) 转化为乙烯和乙醇等有价值化学品所涉及的复杂过程。

铜催化剂因其在多碳产物生成中的独特优势而备受关注。铜的独特之处在于其能够稳定多个反应中间体，从而促进C-C键的形成，这对于乙烯和乙醇的生成尤为关键。铜表面的不同位点对中间体的吸附和还原性能有显著影响。研究发现，铜的低配位位点和台阶位点对C-C键的形成有促进作用。此外，铜表面的氧化还原状态也影响了催化剂的性能，氧化铜与金属铜的协同作用能够提升乙烯和乙醇的选择性。

此前，弗里茨哈伯研究所界面科学系的研究人员介绍了一种将温室气体二氧化碳 (CO 2 ) 转化为可持续燃料乙醇的新方法。这一重大进展可能为更环保、更经济的化石燃料替代品铺平道路。

这些研究对推进化学工业的可持续实践具有重要意义。

参考文献：Chao Zhan, Federico Dattila, Clara Rettenmaier, Antonia Herzog, Matias Herran, Timon Wagner, Fabian Scholten, Arno Bergmann, Núria López, Beatriz Roldan Cuenya. Key intermediates and Cu active sites for CO2 electroreduction to ethylene and ethanol. Nature Energy, 2024; DOI: 10.1038/s41560-024-01633-4

一、什么是CO2电还原技术？

CO2电还原技术是一种利用电能将二氧化碳（CO2）转化为高附加值化学品或燃料的电化学过程。通过施加电势，CO2分子在电极表面发生还原反应，生成一系列产物，如一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙醇（C2H5OH）等。

利用二氧化碳电还原可以将温室气体CO2转化为有用的化学品，有助于减少大气中的CO2浓度，缓解全球气候变暖。生成的化学品可以作为燃料或化工原料，减少对化石燃料的依赖，实现能源的可持续发展。通过，将废弃的CO2转化为有价值的产品，提高了资源利用效率。同时，CO2电还原技术的开发和应用将催生新的产业。

但目前CO2电还原技术也面临着诸多挑战，目前大多数催化剂的效率和选择性较低，需要开发更高效、更稳定的催化材料。CO2电还原是一个能量消耗较高的过程，如何降低能耗是亟待解决的问题。目前CO2电还原技术的成本较高，限制了其大规模应用。此外，由于CO2电还原可以生成多种产物，如何提高目标产物的选择性是研究的重点。

总的来说，CO2电还原技术是一种具有巨大潜力的技术，但仍面临诸多挑战。

二、什么是铜催化剂？铜催化剂为什么在CO2电还原中表现优异？

铜催化剂是一种以铜元素为主要活性成分的催化剂。在电化学反应中，催化剂的作用是降低反应所需的能量，加速反应速率。在二氧化碳电还原过程中，铜催化剂扮演着至关重要的角色。 它能够吸附二氧化碳分子，并提供电子，促使二氧化碳发生还原反应，生成一系列产物，如一氧化碳、甲烷、乙烯、乙醇等。铜催化剂的表面结构、电子性质以及与反应物和产物的相互作用，都对反应的选择性和效率有很大的影响。

与其他金属催化剂相比，铜催化剂能够催化生成多种碳氢化合物，具有较高的产物选择性。铜催化剂对CO2的吸附和活化能力较强，能够有效地促进反应的进行。铜催化剂在电化学反应环境下具有较好的稳定性，能够长时间保持较高的催化活性。铜元素在地壳中的含量丰富，成本相对较低，有利于大规模应用。

然而，铜催化剂也存在一些问题，如何精确调控铜催化剂的表面结构和电子性质，以实现对特定产物的选择性控制，仍然是一个挑战。在长时间的电化学反应过程中，铜催化剂的表面结构可能会发生变化，导致催化活性下降。铜催化剂能够催化生成多种产物，这给产物的分离和纯化带来了困难。

为了提高铜催化剂的性能，研究者们一直在不断探索新的方法，例如调控铜催化剂的形貌和尺寸、引入异质原子、构建复合材料等。

三、思考

如何更精确地调控催化剂的电子结构和表面性质，以实现对特定产物的选择性控制？是否存在一种普适性的设计原则？二氧化碳电还原的反应机理非常复杂，尤其是多碳产物的生成过程。如何通过实验和理论计算相结合的方法，更深入地揭示反应机理？如何提高催化剂在苛刻电化学环境下的稳定性，延长其使用寿命？

电解质对CO2电还原反应的影响不容忽视。如何设计新型电解质，以提高反应效率和选择性？ 如何优化反应器设计，提高传质效率，降低过电势，从而提高整体反应性能？如何降低CO2电还原过程中的能耗，提高能源利用效率？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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