电催化CO?还原制乙烯：催化剂设计与选择性调控研究进展

电催化CO?还原制乙烯：催化剂设计与选择性调控研究进展

随着全球实现碳中和目标的紧迫性，电催化CO?还原制乙烯（C?H?）作为将温室气体转化为高附加值燃料与化工原料的重要技术，受到广泛关注。乙烯作为基础有机合成的重要原料，市场需求庞大，其高效绿色制备对推动低碳经济具有重要意义。

一、电催化CO?还原制乙烯的挑战

乙烯生成属于多电子（8e?）多质子还原过程，路径复杂且涉及关键中间体的C-C偶联，存在催化效率低、选择性差、产率不足等挑战。因此，催化剂的设计尤为关键。

二、主流催化剂设计策略

1. 铜基催化剂——核心材料

铜（Cu）因其独特的电子结构自然具备促进C-C偶联的能力，是目前电催化制乙烯最有效的金属催化剂。

（1）纳米结构调控
      控制Cu纳米粒子尺寸、形貌（如纳米立方体、纳米棒）以暴露特定晶面，调整CO吸附能，有助于提高C-C偶联效率。

（2）晶面工程
      Cu(100)晶面对乙烯生成更为有利，较Cu(111)有更强的CO中间体稳定能力。

表面缺陷与步阶
      制备含高密度边缘缺陷或步阶位点的Cu催化剂，有利于中间体活化和乙烯产率提升。

2. 掺杂与合金化设计

（1）非金属掺杂
      通过氮、硫等元素掺杂调节Cu表面的电子结构，优化中间体吸附。

（2）金属合金
      Cu-Ag、Cu-Au等合金催化剂利用第二金属改善电子密度分布，提升选择性并降低过电位。

3. 支持材料与载体设计

三维碳基材料、石墨烯及MOFs用作载体，提高电子传导性并稳定催化剂结构。

支持材料促进高比表面积的活性位点形成，增强反应动力学。

三、选择性调控机制

1.CO中间体的稳定
      乙烯生成依赖于CO中间体的稳定和高覆盖率，催化剂需在合适的吸附能窗口调节该状态，实现高选择性。

2.电子转移动力学调节
      通过改变催化剂的电子结构，优化电子密度和输运，促进C-C偶联反应。

3.反应环境因素

电解液pH、电极电位和温度均影响中间体转化路径及产物分布。碱性环境有利于增加C2产品。

四、未来应用前景与挑战

1. 规模化应用潜力

电催化乙烯生产可结合可再生能源，实现碳中和循环。

技术成熟后有望替代传统依赖化石燃料的乙烯合成工艺，大幅降低碳排放。

2. 持续材料创新

发展高稳定性和高选择性的Cu基复合材料。

设计新型功能异质结构，实现界面协同催化。

3. 系统与工艺集成

建立高效流动电池和气体扩散电极，提升产率及能效。

结合智能控制优化反应条件，实现工业化转换。

五、总结

电催化CO?还原制乙烯是实现绿色低碳化工的关键方向。精准的催化剂设计与选择性调控策略为提升效率提供有力支撑。随着基础研究深入和工程技术完善，电催化乙烯生产有望成为未来可持续化学制造的重要途径。