今日2篇Nature Catalysis：把CO2还原进行到底！

CO₂还原既有望解决温室效应，又能带来更清洁的燃料和更加价值的C2+化学品，是各国科学家锲而不舍追逐的目标。

2019年4月9日，Nature Catalysis连刊两文，一篇来自电子科技大学Yijin Kang和美国University of Delaware的Feng Jiao团队，报道了二维铜纳米片电催化 CO还原制乙酸盐的最新研究进展。另一篇是来自美国布鲁克哈文国家实验室Jingguang G. Chen团队，综述了近年来热催化或电催化方法还原CO₂的成本衡算和实际路线考量。

在所有单金属催化剂中，Cu因其独特的CO₂还原选择性而备受关注，为了实现高性能的CO₂电催化还原，需要开发有效的电催化剂使CO₂活化能垒最小化。尽管已经取得了诸多进展，但是合成高质量纳米结构Cu催化剂用于CO2/CO电催化还原，仍然颇具挑战。有鉴于此，电子科技大学Yijin Kang和美国University of Delaware的Feng Jiao团队合作，报道了一种三角形二维Cu纳米片，具有优异的CO电催化还原制乙酸盐选择性。

本文要点

1.三角形二维Cu纳米片厚度5 nm，选择性地暴露出（111）晶面。

2.在2M KOH电解质中，Cu纳米片表现出48％的乙酸盐法拉第效率，在电化学CO还原中乙酸盐部分电流密度高达131mA cm ^-2，这是在实际反应速率（> 100mA cm^-2）条件下在电化学CO₂/CO电还原中实现的最高乙酸盐选择性。

3.研究表明，高乙酸盐选择性可能是由于暴露的（100）和（110）表面减少，抑制了乙烯和乙醇的生成。理论计算表明，形成乙酸盐的途径经过乙烯酮中间体，其中一个氧原子来自电解质，另一个氧原子来自CO反应物。

参考文献：

WesleyLuc and Xianbiao Fu，Feng Jiao,  Yijin Kang et al. Two-dimensionalcopper nanosheets for electrochemical reduction of carbon monoxide to acetate. NatureCatalysis 2019.

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0269-8

CO₂还原真的有用吗？热电催化和电催化二氧化碳减排技术不可避免地需要能量输入，而目前70％的电力都是由二氧化碳排放的化石燃料产生。实验室的催化结果如何成为减少大气CO₂减排的目标，需要进行整体的能量和质量平衡核算。

热催化CO₂还原

CO₂的热催化转化主要涉及相对低温（≤523K）的氢化反应，从而产生CH₄，CO或CH₃OH等有用化学品。然而：

1）在某些具有大页岩气储量的区域，反应物H₂通常比CH₄更有价值，因此，生产CO₂还原制CH₄还是制其他化学品高度依赖于地理位置。

2）虽然可以以相对高的转化率和选择性实现通过H₂还原CO₂来生产CO，但是将CO转化为较长链分子需要采用费托法等策略，进一步导致较高的投资成本。

3）甲醇是一种高价值产品，但CO₂直接生产CH₃OH产量依然太低。

除此之外，所有这三种CO₂热催化还原途径所需的氢主要来自蒸汽甲烷重整（SMR），后者产生额外的CO2。

电催化CO₂还原

电催化CO₂转化可以使用水作为氢源，而不需要使用H₂。然而：

1）目前电解电池并没有实现工业规模应用，并且通常比热催化产物收率更低。

2）醇，酸等更高价值产品的生产虽然颇为诱人，但从含水电解质中分离这些低收率的含氧化合物需要提供额外的能源。

3）在电化学电池中由溶解的CO₂产生气态CO和烃更容易分离，但其总产率偏低仍然是一个硬伤。

参考文献：

BrianM. Tackett, Elaine Gomez & Jingguang G. Chen. Net reduction of CO2 via itsthermocatalytic and electrocatalytic transformation reactions in standard andhybrid processes. ature Catalysis 2019.

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0266-y

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