电催化CO2学者必看！IF 40长篇综述 《progress in materials science》

一、 【导读】  

近日，汉阳大学博士生刘璐以第一作者在国际顶级期刊《 progress in materials science》上发表了首篇电催化CO₂还原长篇综述

Advances in morphological and interfacial tuning of metal oxides for electrochemical CO₂ conversion。https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101522 

该篇综述涵盖金属氧化物基电催化 CO₂ 还原的多维度研究框架。例如 催化剂的组成，形貌、晶面、界面、缺陷、电催化的机制、性能等科学问题，同时还展示了全面且先进的表征手段、理论计算、高通量筛选以及工业设计的研究方向。展示了材料合成，结构活性关系，C₁,C₂,C₃产物的详细机理。对不同材料性能进行比较，总结和评估，提出未来金属氧化物基电催化剂的设计思路。为设计可产业化的高效金属氧化物基电催化剂提供全面的理论指南。

二、【成果掠影】

 

图 1. 本综述总结的电化学CO₂还原中金属氧化物的多维度研究内容

 三、【核心创新点】

• 对于复杂的结构机理，作者利用关键中间物种的索引，结合相关文献案例。更清晰易懂所涉及的路径及电子质子转移过程。
• 在活性位点的设计工程中，作者介绍了晶面工程，缺陷工程，界面工程，自旋工程以及形貌工程。
• 作者引用了大量的顶刊案例与重要成果的图片，方便读者在短时间内了解及掌握电催化CO₂RR顶级工作。

 四、【数据概览】

图2  电化学 CO₂ 还原生成 C₁和 C₂₊ 产物的不同反应机理及其电子转移过程示意

图3  MO基电催化剂（如CuO）表面活性位点增强的设计策略示意图，标出了桥氧（O_bridge）、表面氧（O_surface）、氧空位（V_O）以及三配位铜（Cu_3c）。

图4 MO基催化剂的常见形态结构及其在CO₂RR中的性能特征。

表1 CO₂RR新型MO基电催化剂的合成、活性位点/形态、关键中间体和性能的最新研究

图5 用于电化学CO₂还原反应的金属催化剂及其在元素周期表上的高选择性产物的分类。深灰色背景上的黑色字体表示在CO₂RR的MO基催化剂上作为金属氧化物或金属掺杂剂具有潜在应用的金属。黑色字体的非金属元素（C、N和O等）可以作为MO基催化剂的有效掺杂剂。
 

原文详情：本综述旨在全面回顾开发基于MO的CO₂RR电催化剂的最新研究进展。因此，它总结了电化学CO₂还原反应的基本原理和相关的还原机制（例如，具有反应中间体的电化学工作流程），以及与MO基催化剂的合成方法及其通过各种工程策略（例如，调节催化剂形态和控制活性位点）提高性能的方法。晶面工程影响产品分布，低折射率晶面有利于C₁产品，高折射率晶面的有利于多碳产品。缺陷工程侧重于氧空位等点缺陷，但尽管线和平面缺陷具有潜在的实用性，但对其作用的探索较少。界面工程通过晶界和多相界面调节局部pH值和中间吸附来提高催化剂性能。微片、双锥、MOF、堆叠结构和卟啉框架等先进形态的设计也可以通过优化表面积、电子转移和催化位点稳定性来显著提高CO₂RR性能。

对各种基于MO的电催化剂的综合评估提供了对合成-结构-活性-机制关系动态性的见解。如该比较分析所示，五种特定产品（即CO、CH₄、HCOOH/HCO^–、C₂H₄和C₂H₅OH）的最佳催化剂（就FE而言）被确定为CuFe@FeO_x（FE_CO为98.9%），Ag@Cu₂O（FE_CH4为74%）、Bi⁰-Bi₃/Bi₂O₂CO₃（FEHCOO^–为93%）、Cu/Cu₂O（FE_C2H4为93%）和BaO/Cu（FEC₂H₅OH为61%）。基于总电流密度（mA cm⁻²）的相对排名为2000（Bi⁰-Bi₃/Bi₂O₂CO₃）>1929(CuFe@FeO_x)>400（BaO/Cu）>240(Ag@Cu₂O)>110（Cu/Cu₂O），基于稳定性（h）的为200(CuFe@FeOx)>100（Bi⁰-Bi₃/Bi₂O₂CO₃）>55（Cu/Cu₂O）>20（BaO/Cu）>5.5(Ag@Cu₂O).如果仅根据所需的工业电流密度值（>200mA cm^-2）来筛选这些电催化剂的效用，CuFe@FeO_xBi0-Bi₃/Bi₂O₂CO₃，Ag@Cu₂O，和BaO/Cu分别在工业生产一氧化碳、甲酸、甲烷和乙醇方面具有很高的前景。

为了实现二氧化碳高效转化为燃料和高附加值化学品，已经设计并引入了许多高性能的MO基催化剂，用于实验和理论验证。据报道，镍基催化剂通过引入新的反应途径，通过C-C偶联产生C₂₊产物，与铜基催化剂不同。尽管如此，铜基催化剂更有可能实现工业级顶级性能。特别是，Cu₂O基催化剂在性能方面通常优于CuO基催化剂。同样重要的是要注意，利用各种表面工程技术可以调节掺杂原子、异质界面、氧空位和多价态。此外，调整合成参数可以设计出具有不同形态和结构的Cu₂O基电催化剂，以进一步提高C₂₊产品的性能。此外，MO和掺杂剂之间的界面通常是CO₂RR的关键活性位点。例如，Ag和Bi分别是产生CO和HCOO^–的有效掺杂剂。此外，使用碳载体材料（如石墨烯和碳纳米管）和串联催化剂可以是在还原过程中增强电子转移和材料稳定性的有效策略。还可以开发具有独特形态的电催化剂，如层状结构、MOF、钙钛矿、尖端和核壳结构，以获得优异的CO₂RR潜力。鉴于CO₂RR中合成-结构-活性-机制关系的动态性和交互性的重要性，需要做出更多努力来明确解决这些关系中涉及的复杂性和模糊性。值得注意的是，机器学习与DFT计算的结合可以被认为是加速电化学CO₂RR基础研究和实际应用的有效选择。

本文由XXX供稿