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2025 年發(fā)表于《The Chemical Record》的文獻《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》，對電催化技術(shù)的前景及其在實(shí)現電子化學(xué)未來(lái)中的作用進(jìn)行了深入探討。
《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》這篇文獻圍繞電催化研究現狀、新興方向、電催化到光電催化的轉變、串聯(lián)/配對電催化反應、電催化介導合成等多個(gè)方面展開(kāi)分析，既闡述了電催化在 CO?還原、氮氣固定等新興方向的潛力，也指出了其在成本、技術(shù)及研究局限等方面面臨的挑戰，旨在為推動(dòng)電催化技術(shù)的發(fā)展、加速低碳化學(xué)生產(chǎn)模式的實(shí)現提供思路與參考。
電催化的新興方向主要集中在以下幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：1. CO?還原反應（CO?RR），旨在將二氧化碳轉化為有價(jià)值的化學(xué)品，這對于碳循環(huán)和減少溫室氣體排放具有重要意義；2. 氮氣固定（N?還原），即通過(guò)電催化將氮氣轉化為氨等含氮化合物，為綠色肥料生產(chǎn)等提供新途徑；3. 生物質(zhì)衍生化學(xué)品的電催化轉化，可將生物質(zhì)中的成分轉化為大宗化學(xué)品，有助于減少對化石資源的依賴(lài)；4. 電催化生產(chǎn)過(guò)氧化氫（H?O?），過(guò)氧化氫作為一種清潔氧化劑，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有重要應用，該方向具有較高的工業(yè)潛力。
電催化發(fā)展面臨著(zhù)多方面的挑戰：1. 科學(xué)與技術(shù)挑戰，包括反應的可擴展性問(wèn)題，如如何實(shí)現電極尺寸的擴大和實(shí)際操作條件的優(yōu)化，以及部分反應（如 CO?RR、NRR）的性能尚未達到工業(yè)應用要求；2. 成本問(wèn)題，與電催化技術(shù)相關(guān)的固定成本和運營(yíng)成本仍然過(guò)高，需要通過(guò)改進(jìn)電催化劑 / 電極設計、優(yōu)化操作條件等降低成本；3. 研究局限，當前研究多集中在電催化劑的機理和設計方面，對系統工程的關(guān)注不足，且缺乏對不同反應協(xié)同利用等方面的深入探索，同時(shí)在理論方法上，尚未形成統一的電化學(xué)和電催化理論來(lái)指導新型電催化劑的設計。
從電催化到光電催化是推動(dòng)能源與化學(xué)品生產(chǎn)向可持續、循環(huán)和有韌性未來(lái)轉型的重要方向，其核心在于整合直接利用太陽(yáng)光的能力，開(kāi)發(fā)光電催化（PEC）器件。PEC 器件主要有兩種類(lèi)型：一種是光活性單元集成到陽(yáng)極部分（PECa），其中光活性功能通常集成在陽(yáng)極，雖存在使陽(yáng)極和陰極都具備光活性的可能性，但實(shí)際實(shí)現面臨諸多困難；另一種是光活性單元作為光伏單元（PV/EC）外部存在并最終集成到電池中，其配置基于獨立的光伏電池驅動(dòng)電催化單元。PECa 緊湊型電池設計中，陰極和陽(yáng)極直接位于膜的兩側，可減少傳輸限制以提升性能，還能使用氣體擴散電極消除電解質(zhì)并實(shí)現零間隙電池。
與電催化器件相比，PEC 系統的電流密度與光活性元件提供的電流密度、電池電阻及光組件和電組件的耦合相關(guān)，工業(yè)感興趣的電催化過(guò)程典型電流密度高于 500 mA/cm2，而 PEC 器件的電流密度要低一個(gè)數量級以上。此外，電催化器件可連續運行，PEC 器件則需在有陽(yáng)光時(shí)運行，這要求其設計需從低成本制造以適應不連續運行的角度出發(fā)，而非傳統的太陽(yáng)能到化學(xué)的轉換效率考量。在有效性和機理方面，PEC 與電催化方法本質(zhì)相同，但 PEC 在電勢和電流密度上存在限制，電催化器件電流密度可達 1 A/cm2，PEC 器件則通常低兩個(gè)數量級。同時(shí)，分散式生產(chǎn)模式下，PEC 生產(chǎn)單元需盡可能減少下游操作，以與生產(chǎn)單元的生產(chǎn)率、壓力等相兼容，但目前文獻對這些方面關(guān)注較少，PEC 器件也多作為獨立元素研究，缺乏在價(jià)值鏈中的集成考量。
串聯(lián) / 配對電催化反應在生物基過(guò)程領(lǐng)域展現出巨大潛力，其核心優(yōu)勢在于能夠實(shí)現過(guò)程 intensification 并開(kāi)發(fā)低碳工藝，同時(shí)可利用可再生能源，還能通過(guò)原位生成 redox 反應物（如氫當量、活性氧物種）避免還原劑或氧化劑的生產(chǎn)成本。不過(guò)，盡管該技術(shù)已被認知多年，目前仍無(wú)商業(yè)應用實(shí)例，主要面臨諸多需克服的困難：一是需識別合適的電催化劑，這類(lèi)催化劑需在高電流密度下兼具高法拉第選擇性和高穩定性，以應對電極污染或浸出等典型問(wèn)題；二是要實(shí)現陽(yáng)極和陰極反應的配對匹配，確保反應速率、電子及 H?/OH? 流動(dòng)等方面的平衡。
當前研究常聚焦于單個(gè)電極側（尤其是陰極），而對兩側的協(xié)同利用關(guān)注不足。當研究聚焦陰極反應（如 CO?RR 或 HER）時(shí)，析氧反應（OER）是典型的陽(yáng)極反應，但 OER 動(dòng)力學(xué)緩慢且需要較高過(guò)電勢，因此人們常探索替代氧化反應，包括廢水氧化等，近期也開(kāi)始關(guān)注能量上易進(jìn)行且動(dòng)力學(xué)快速的反應以加速過(guò)程。不過(guò)，部分替代反應（如用氫氣氧化提升氨電合成性能、用硝酸鹽替代 N? 進(jìn)行氨還原）雖能改善某些性能，卻并非提升技術(shù)經(jīng)濟可行性和可持續性的理想方案，研究需更多關(guān)注相關(guān)價(jià)值鏈和工業(yè)實(shí)際案例。
一些歐盟項目已圍繞串聯(lián) / 配對電催化反應展開(kāi)探索，例如 TERRA 項目探索利用電池溫度差匹配陰陽(yáng)極反應，PERFORM 項目嘗試將葡萄糖氧化與加氫脫氧配對生產(chǎn)己二酸等。此外，將 CO?RR 與有機（生物基）化學(xué)品的電氧化（OOR）配對也是新興方向，如 5 - 羥甲基糠醛（HMF）氧化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）與 CO?RR 配對，不僅能降低過(guò)電勢，還可產(chǎn)出高附加值化學(xué)品。但總體而言，該領(lǐng)域研究仍存在諸多不足，如缺乏對全電池反應的系統研究、部分集成過(guò)程尚未得到電催化證明、下游處理成本高及相關(guān)科學(xué)基礎薄弱等，需進(jìn)一步探索優(yōu)化。
電催化介導合成（又稱(chēng)間接電解）是一種在有機電合成中應用成熟，但在其他電催化領(lǐng)域尚未廣泛普及的方法。其核心原理是通過(guò) redox 介質(zhì)作為電子轉移劑實(shí)現底物的間接轉化 —— 當底物難以直接發(fā)生氧化還原反應時(shí)， redox 介質(zhì)可先與電極發(fā)生電子轉移，再與底物反應，從而推動(dòng)目標轉化的進(jìn)行。這種方法具有多方面優(yōu)勢：一是能消除電極與底物之間異質(zhì)電子轉移的動(dòng)力學(xué)抑制，降低反應過(guò)電勢；二是 redox 介質(zhì)可展現出與直接電解不同的選擇性，甚至更高的選擇性；三是由于反應在較低電勢下進(jìn)行，可減少或避免電極因高電勢導致的失活問(wèn)題；四是能規避高電勢下易發(fā)生的副反應，提高產(chǎn)物純度。
不過(guò)，電催化介導合成也存在明顯局限，其額外成本（尤其是下游分離和 redox 介質(zhì)回收環(huán)節）對大宗商品和大宗化學(xué)品的生產(chǎn)而言較為關(guān)鍵。在有機電合成中，高附加值化學(xué)品的利潤空間可覆蓋這些成本，但在大規模工業(yè)生產(chǎn)中，成本控制難度顯著(zhù)增加。常用的 redox 介質(zhì)因反應類(lèi)型而異，陽(yáng)極氧化中多采用特定的過(guò)渡金屬化合物等，陰極反應則可使用過(guò)渡金屬配合物等?？傮w而言，電催化介導合成作為一種潛在的高效轉化策略，仍需結合具體應用場(chǎng)景進(jìn)一步探索優(yōu)化，尤其在降低成本、提升介質(zhì)循環(huán)效率等方面需突破，以拓展其在更廣泛電催化領(lǐng)域的應用。
電子化學(xué)愿景旨在通過(guò)電催化等技術(shù)，解決彈性發(fā)展、碳中性生產(chǎn)及碳循環(huán)經(jīng)濟等社會(huì )挑戰，推動(dòng)化學(xué)品和能源生產(chǎn)模式向可持續、低碳的方向轉型。
實(shí)現電子化學(xué)未來(lái)是應對社會(huì )挑戰的重要方向，其核心在于通過(guò)電催化等技術(shù)構建全新的化學(xué)品和能源生產(chǎn)模式。這一未來(lái)模式需達成三大目標：一是發(fā)展具有韌性的發(fā)展模型，最大限度減少對外部資源的依賴(lài)和限制；二是建立碳中和甚至碳負性的生產(chǎn)系統，降低環(huán)境影響；三是實(shí)現超越化石燃料的碳循環(huán)經(jīng)濟。電催化作為關(guān)鍵技術(shù)，在其中扮演著(zhù)推動(dòng)轉型的核心角色，而如何優(yōu)先整合各類(lèi)電催化反應、突破現有研究局限以實(shí)現從傳統熱催化到電子化學(xué)的跨越，是需要重點(diǎn)探索的問(wèn)題。
實(shí)現電子化學(xué)未來(lái)需要多方面的努力。在研究層面，要突破當前局限，從更廣泛的角度探索電催化的潛力，如拓寬反應范圍、加強不同反應的協(xié)同利用，同時(shí)重視系統工程的研究；在技術(shù)層面，需改進(jìn)電催化反應器設計，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的電催化反應器，優(yōu)化操作條件以降低成本；在理論層面，要建立統一的電化學(xué)和電催化理論，為新型電催化劑的設計提供指導。此外，還需結合新興的技術(shù)和方法，如 3D 打印等加速電催化技術(shù)的規?；?，推動(dòng)其從實(shí)驗室研究走向工業(yè)應用，最終構建起可持續的電子化學(xué)未來(lái)。
盡管電催化研究熱度漸升，但潛力尚未充分挖掘，在技術(shù)、成本及研究方向等方面存在諸多挑戰。目前，從實(shí)驗室邁向工業(yè)應用的進(jìn)程緩慢，部分源于對電催化諸多可能性認識不足。未來(lái)，需拓寬研究邊界，探索如 CO?還原、氮氣固定等新興反應的潛力，加強不同反應的協(xié)同利用；要建立新的評估模型，以準確衡量電催化在全新場(chǎng)景中的影響；還應通過(guò)跨領(lǐng)域合作，激發(fā)創(chuàng )造性研究，將理論成果轉化為實(shí)際生產(chǎn)力，推動(dòng)電催化技術(shù)廣泛應用，助力構建可持續、碳循環(huán)的電子化學(xué)未來(lái) 。
期刊：The Chemical Record
通訊作者：Gabriele Centi、Siglinda Perathoner
通訊單位：University of Messina
DOI：10.1002/tcr.202400259
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