电催化CO?转化全景解析：从机理到产物的路径进化图谱

一、前言：从“捕碳”到“造碳链”的关键技术

碳中和的目标并不止于“把CO?捕下来”，更在于将其有效转化为有用的碳链化合物。电催化CO?还原（CO?RR）作为一条低温、低压、可再生驱动的技术路径，正逐步从基础研究走向工程部署。

它的核心逻辑在于：以“电力”赋能“碳构建”，让CO?成为电驱化学反应的原料。本文将系统梳理电催化CO?转化的原理、催化剂体系、产物演化、路径分化与工程趋势，构建一张完整的“碳转化路径图谱”。

二、基本机理：电驱还原的三步过程

1.基本反应路径：

电催化CO?还原反应（CO?RR）通常在电解槽中进行，CO?作为气体原料进入阴极，与电子反应生成不同碳基产物，主要涉及三类反应步骤：

（1）.CO?分子活化（打破线性结构，吸附于催化剂表面）

（2）.中间体形成（形成*COOH、*CO、*CHO等关键中间态）

（3）.路径分化（向CO、甲酸、甲醇、烃类等产物分支）

2.影响因素包括：

催化剂材料及晶面结构

电位、电流密度与电解液种类

反应器结构与质量传递设计

三、产物路径图谱：从单碳到多碳的构建逻辑

1.通用型主要产物解释：

产物	反应式简写	应用场景
一氧化碳（CO）	CO? 2H? 2e? → CO H?O	合成气、甲醇制备
甲酸（HCOOH）	CO? 2H? 2e? → HCOOH	液体储氢、溶剂
甲醇（CH?OH）	CO? 6H? 6e? → CH?OH H?O	化工原料、燃料
乙烯（C?H?）	2CO? 12H? 12e? → C?H? 4H?O	塑料、乙醇中间体
乙醇（C?H?OH）	CO? 12H? 12e? → C?H?OH 3H?O	溶剂、燃料、医药
丙醇（C?H?OH）	3CO? 18H? 18e? → C?H?OH ...	高附加值化学品

电催化CO?还原可形成多类产物，按碳数和键结构大致分为以下几类：

产物类别	代表化合物	应用方向	代表催化剂体系
C1气体类	一氧化碳（CO）	合成气、甲醇前驱体	Ag, Au, Zn
C1液体类	甲酸、甲醇	燃料、化工原料	Sn, Bi, Pd
C2 类	乙烯、乙醇	燃料、塑料、添加剂	Cu, CuOx, Cu-M合金
特殊产物	醛类、丙醇等	医药、精细化学	Cu-Zn, Cu-Ag, MOF类

特别注意：多碳产物（C??）如乙烯、丙醇是技术热点，但控制难度大。CO和甲酸在较低电位时较容易生成；乙烯和乙醇需要更复杂的C–C偶联步骤。

四、催化剂进化趋势：从金属到多尺度复合结构

电催化剂的结构设计决定了反应路径和选择性，目前主要几类代表：

类型	常见元素/结构	特点
金属单质	Cu, Ag, Au, Sn, Bi	Cu易得C??，Ag适合产CO
合金/双金属	Cu-Zn, Ni-Fe, Co-Ni	协同作用提升选择性
非贵金属类	Fe-N-C, Co-N-C	成本低，适合放大
金属氧化物	ZnO, Cu?O	稳定性较好
原子级单原子催化剂	Fe, Co, Ni on graphene	高比表面积、反应活性强
MOFs/COFs	金属有机框架结构	可控孔径、功能团设计丰富

主要特点：

1. 贵金属系（Au、Ag、Pd）
选择性高，但成本高，适合做CO/甲酸路径研究

2. 非贵金属（金属氧化物、碳材料）
Cu基体系在C2 路径中仍是主力，催化C–C偶联具有优势

3.原子级别调控（单原子催化、掺杂）
控制电子态密度与表面吸附性能，实现路径控制

4.电极结构优化（GDE、三相界面）
高比表面积结构设计、气体扩散层设计，提高反应效率与产量密度

五、系统架构与工程瓶颈

反应器与系统形态

类型	特点	发展阶段
H型电解池	实验室常用，结构简单	实验室
流动电解池	可处理较高CO?通量，产率提升	中试平台
气体扩散电极系统（GDE）	解决CO?溶解度低问题，提升电流密度	示范线
质子交换膜电解槽（PEM型）	可与绿氢制备技术集成	工程前沿

尽管CO?RR已在材料端取得诸多突破，但要实现工程化仍面临以下挑战：

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法拉第效率与稳定性平衡问题：部分产物生成选择性随时间降低

产物分离问题：多产物共存，增加后处理负担

反应器放大效应：实验室10 cm? → 工程级 1 m?，反应均匀性难以控制

能源投入 vs 产值：若电力非绿电，碳足迹难以闭合

因此，CO?RR技术必须与DAC、H?制备、碳利用场景整体协同设计，才能实现“捕-转-用”闭环。

六、未来趋势与关键研究方向

主要挑战

问题	说明
催化剂选择性差	难以精准控制只生产某一种产物
电流密度不足	商业化要求>200 mA/cm?，目前多在50–150 mA/cm?
能耗高	转换效率有限，尤其是C??产物路径
系统稳定性差	催化剂易中毒、结构易变化
CO?利用率低	被水竞争反应稀释，CO?未充分反应

研究方向

1.路径调控技术
发展智能催化剂，通过外场、电位动态调控选择性

2.一体化CO?电解堆
与碳捕装置耦合形成一体化碳处理模块

3.模块化分布式部署
利用分布式绿电 小型电催化器，实现边缘碳转化

4.系统集成与成本模型优化
结合LCOX模型、碳交易系统，评估经济适配性

未来5–10年趋势预测

维度	发展趋势描述
技术方向	向多碳产物合成（C??）与高电流密度方向发展
系统集成	与可再生电力、电解水系统、DAC模块耦合
工艺形态	连续流 气体扩散电极 GDE膜堆结构将主导中试工程
应用路线	与e-fuels、绿色甲醇、合成气路线融合，进入PtX体系
商业模式	高值化学品优先路线（乙醇/丙醇）实现产业突破

1. 

七、易普斯观点：CO?RR是系统价值的“化学节点”

我们认为，电催化CO?还原的意义并不在于“能不能还原CO?”，而在于：能否还原出产业需要的产物（如CO、乙烯、乙醇）

能否与碳源系统、电力系统、碳资产系统进行联动

能否构建模块化接口，嵌入绿色燃料、绿色化学、CCUS等链条中

易普斯正在推进基于Cu催化体系的模块级CO?电还原单元，支持与DAC、PEM电解、RWGS反应器的标准化连接。我们的目标不是“做出一个设备”，而是“构建一个碳路径接口”。

结语

电催化CO?还原，是让碳重新“构造”的技术。
它不只是一个化学反应，而是一种可能性 ——
在绿色能源系统中，把被捕捉的碳，变为未来的碳链资产。

低碳，不止减碳。转碳，才是路径的开始。