北京化工大学孙振宇教授课题组综述：基于金属氧化物材料的二氧化碳电催化还原

第一作者：郝磊端

通讯作者：孙振宇

通讯单位：北京化工大学化学工程学院

注：此综述是电催化专刊邀请稿，客座编辑：中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员，湖南大学王双印教授。

引用信息

郝磊端, 孙振宇. 基于金属氧化物材料的二氧化碳电催化还原. 物理化学学报, 2021, 37 (7), 2009033. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009033

Leiduan Hao, Zhenyu Sun. Metal Oxide-Based Materials for Electrochemical CO₂ Reduction. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (7), 2009033. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009033

主要亮点

综述了金属氧化物基材料作为电催化剂在电化学二氧化碳还原(ECR)中的最新研究进展，深入探讨了不同金属氧化物在电催化过程中的作用、稳定性及结构-性能关系，并对金属氧化物基材料在ECR应用中未来的设计和研究方向做出思考。

研究背景：意义、现状

二氧化碳(CO₂)是主要的温室气体，同时它也是一种绿色、可再生的C1资源。通过电催化方法还原CO₂制备高附加值化学品，在降低CO₂浓度、平衡碳循环和储存可再生途径产生的电能等方面展现出较大潜力。通过设计高效电催化剂来降低反应过程中所需的过电位并提高产物的选择性和电流密度，对ECR的发展和应用具有重要意义。其中，金属氧化物在提高ECR催化性能方面的作用被越来越多的研究者关注。本文对金属氧化物基材料作为电催化剂在ECR中的最新研究进展进行了总结，重点关注了金属氧化物作为催化活性物种在ECR过程中的作用，并从材料制备及结构-性能关系的角度讨论了如何设计稳定的金属氧化物电催化剂。

核心内容

基于对ECR反应机理及生成不同产物反应路径的系统认识，阐述了不同的金属氧化物基材料作为电催化剂在ECR中的应用。

1  氧化铜基材料

相比其它金属，由于其独特的催化性能，Cu及Cu基材料是ECR中研究最多的电催化剂。在众多的制备和改性方法中，研究者发现由氧化物衍生而来的Cu催化剂相比晶态Cu在ECR中具有更高的电流密度和较低的过电势。结合原位表征技术，进一步的实验和理论研究发现，氧化态Cu物种(Cu⁺)在电催化过程中仍然存在并且在CO₂选择性还原中发挥关键作用。一系列基于氧化态Cu(Cu₂O, Cu₄O)的电催化剂被用于ECR中，并表现出很好的稳定性和电催化性能。除单纯的氧化态Cu之外，此部分还介绍了Cu氧化物与其它材料(如金属有机骨架材料、碳纳米管等)的复合材料及混合氧化物材料在ECR中的应用，并讨论了材料形貌对ECR性能的影响。

2  氧化锡基材料

通过对Sn金属表面进行不同处理而去除或保留氧化层，研究者揭示了SnO_x在ECR中的关键作用。进一步的实验和理论计算发现，不同价态的Sn物种在降低电催化反应的过电位、抑制析氢副反应和提高反应选择性等方面均发挥作用，并且氧化态Sn可通过与电极表面的羟基形成Sn-OH而促进CO₂的吸附和反应中间体的生成。该部分也对锡氧化物与其它金属物种形成的复合材料用于ECR进行了总结，讨论了不同组分间相互作用对催化性能的影响，并阐述了不同形貌的锡氧化物对ECR的不同效果。

3  氧化钴基材料

Co元素在地球上含量丰富，Co基材料作为催化剂广泛应用于多种转化过程中，而其在ECR中催化活性很低。通过调控Co金属表面原子层结构和氧化态，及构建超薄层氧化钴可提高其催化活性，该部分介绍了改变材料的表面结构及氧化态对材料的电催化性能所带来的巨大影响。

4  其它金属氧化物基材料

相比金属氧化物，一些材料更多情况下是以金属状态应用于ECR中，或金属氧化物仅作为合成金属材料的前驱体，如Bi、In、Zn等。最近的研究不断发现这些金属的氧化态物种在ECR中CO₂吸附和活化、中间体生成、降低反应自由能等方面的独特作用，文中对此进行了总结和讨论，另外也介绍了在ECR中应用较少的其它金属氧化物，包括氧化锆、氧化镓和氧化钌。这些金属氧化物作为电催化剂在ECR中的应用有待从材料设计、改性、电子结构调控等角度进行进一步研究。

结论与展望

本文对金属氧化物基材料作为电催化剂在ECR中的最新研究进展进行了总结，重点阐述了金属氧化物作为催化活性物种在ECR中对CO₂活化、中间体生成和产物选择性等起到的作用，介绍了不同金属氧化物基材料的设计、结构调控、形貌等对催化性能的影响。考虑到金属氧化物自身的低导电性，降低其与载体的接触电阻从而促进电子转移来降低反应的过电势是未来材料设计的方向之一。另外，由于在电催化过程中金属氧化物容易被还原成金属状态，原位表征等技术的应用在揭示催化活性物种变化和ECR机理研究中非常必要，同时可为高效金属氧化物基电催化剂的开发提供理论和实验基础。

☎作者介绍

 孙 振 宇 

北京化工大学教授、博士生导师，材料化工系主任，中国化工学会化学工程专委会秘书长。获中科院化学所理学博士学位，先后在爱尔兰圣三一学院、德国鲁尔波鸿大学、英国牛津大学做博士后研究，曾获德国洪堡奖学金。主要从事CO₂、N₂光电催化相关研究，在Nat. Nanotechnol.等期刊共发表论文130余篇，其中，以第一/通讯作者，在Prog. Mater. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.等期刊发表论文92篇；撰写英文书籍3章节。13篇第一/通讯作者论文入选ESI高被引论文，SCI他引> 11000，入选2018和2019年度英国皇家化学会Top 1%高被引中国作者榜单，入选2019年度中国百篇最具影响国际学术论文、Cell Press出版社2019中国年度论文。曾担任首届基金委-英国皇家学会可持续化学与工程国际学术研讨会秘书长并主持大会闭幕式；担任Chin. J. Catal.期刊的编委、《物理化学学报》、《稀有金属》、Rare Metals期刊的青年编委。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202009033