澳大利亚新南威尔士大学赵川院士/纽卡斯尔大学赵勇Chemical Society Reviews：安培级别电催化还原CO2和CO

第一作者：孙倩

通讯作者：赵川院士、赵勇

通讯单位：新南威尔士大学、纽卡斯尔大学

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/cs/d4cs00863d

二氧化碳（CO₂RR）和一氧化碳（CORR）电催化还原在降低全球碳足迹并获取高附加值产物方面展现出广阔前景。然而，这两种反应均受限于催化剂本征活性低以及反应物在催化剂/电解液界面的传质。近年研究表明，要提升反应动力学并在安培级电流密度（>500 mA cm^-2）下实现CO₂RR/CORR的高效运行，亟需对催化剂进行合理设计并优化传质过程。本综述介绍了在安培级电流密度下CO₂RR/CORR的最新研究，特别是催化机理以及催化剂设计与传质调控的基本原理。催化剂设计包括合金化与掺杂、单原子效应、形貌与结构调控、氧化态调节以及有机分子功能化；同时也总结了传质调控原则，即电极工程和电解槽优化。最后，本文还讨论了该领域进一步走向工业化应用所面临的挑战与发展前景。

CO₂RR在可再生电力驱动下，可将CO₂转化为有价值的化学品和燃料，是一种具有吸引力的策略用于缓解全球变暖问题并减轻对传统化石燃料的高度依赖。与C₁产物（如CO、甲酸盐、甲烷和甲醇）相比，多碳C₂₊产物（如乙烯、乙醇、乙酸和正丙醇）具有更高的能量密度和经济价值，是开发长链烃类燃料的重要原料。在过去十年中，研究者用强碱性电解液来抑制析氢反应，并提高多碳产物的选择性和产率。然而，碱性条件下的CO₂RR面临碳酸盐生成的问题，这会导致CO₂和OH⁻浓度下降、催化性能下降，以及从生成的碳酸盐中回收CO₂所需的高能耗。一种替代路径是先将CO₂还原为CO，再进一步转化为C₂₊产物。作为一种无碳酸盐生成的问题的路径， CORR可以在高碱性电解液中稳定运行，这有利于C–C偶联。此外，CO₂RR与CORR具有相似的还原途径，因此研究CORR也有助于进一步理解CO₂RR的反应机理。

尽管近年来在CO₂/CO升级为高价值燃料和化工原料方面取得了显著进展，但生产效率仍受制与催化剂活性不足和传质问题。大多数研究仍停留在实验室规模的H型电解池中，其电流密度通常较低（^-2），由于气体在水相电解液中的低溶解度（CO₂：34 mM，CO: 1 mM）。然而，工业级电解槽通常需要超过200 mA cm^-2的电流密度。实际应用中，CO₂/CO电解反应必须在安培级电流密度（>0.5 A cm^-2）下运行，并保持较高的能效以降低运营和设备成本。这不仅要求开发具有高活性的催化剂以高效实现CO₂/CO还原反应，还需要通过电极和电解槽的工程优化来提升反应物、中间体（如 *CO、*COH、*CHOH 和 *CHO）以及电子的传输效率。

许多高效方法已被用于优化催化剂，比如开发单原子催化剂、元素掺杂、合金化、有机分子功能化、疏水性调控。传质是另一个关键因素。通常，气体扩散电极（GDEs）的应用——由气体扩散层（GDLs）、微孔层（MPLs）和催化剂层组成——可以最大化CO₂/CO的溶解度，并提供充足的传质直接到催化剂表面，在气–固–液三相界面处高效进行还原反应。GDE优化需综合考虑多个关键因素，即高孔隙率、低电阻、催化剂可达性、化学和机械稳定性以及放大化。实现CO₂RR/CORR过程中高效传质的策略包括构建多孔微结构GDE、调控润湿性、高分子材料设计、准两相界面修饰、电解池与膜电极组件（MEA）结构优化（气体通道，膜）、电解池堆叠部署等。

因此，在CO₂RR/CORR领域，一个重要的研究课题和重大挑战是如何将反应电流密度提升至安培级，以满足工业应用的需求。

1）已有许多综述分别聚焦于传统H型电解池和流动电解池中催化剂设计、电解槽结构以及反应机制等方面。然而，很少有综述文章从整体角度同时考虑催化剂与传质两个关键因素，以实现CO₂RR/CORR的安培级产率。因此，撰写这样一篇综述是非常及时的，有助于更直观地理解并深入洞察安培级CO₂RR/CORR。

2）安培级别CO₂RR/CORR有助于实现其工业化，这可以通过催化剂设计和传质调控来实现。我们通过若干证据（例如技术经济分析（TEA）等）来证明“在安培级电流密度下进行CO₂RR具有重要意义”的观点。

3）介绍了CO₂RR/CORR反应机制，包括生成C₁产物和C₂₊产物的路径，并概述了当前CO₂RR/CORR在产率和选择性方面的发展现状。随后，我们进一步阐述了传质和催化剂设计在推动CO₂RR/CORR实现高电流密度中的关键作用和基本原则。最后，指出当前安培级CO₂RR/CORR所面临的主要挑战与发展前景（Scheme 1）。

Scheme 1. CO₂RR/CORR 在安培级电流密度下的主要内容示意图

图1. CO₂RR/CORR机理

图2. 合金与掺杂效应

图3. 单原子效应

图4. 形貌与结构效应

图5. 氧化态调控与修饰的OD-Cu/CuO

图6. 有机分子修饰的催化剂

图7. 串联催化剂设计

图8. 多孔微结构气体扩散电极（GDEs）

图9. 分子/聚合物修饰的气体扩散电极

图10. 电解池工程

Scheme 2. 加速 CO₂RR/CORR 在安培级电流下反应速率及其大规模商业化的前景与策略

由可再生电力驱动的 CO₂RR/CORR 可有效实现碳循环闭合与生产高附加值燃料。尽管在安培级电流密度下进行的 CO₂RR/CORR 多尺度研究已取得显著进展，其大规模应用仍面临诸多挑战。为实现 CO₂RR/CORR商业化，需考虑具体指标，例如：能够连续电解 5000 小时且具备较高的能量效率（>60%），在安培级电流密度下运行，高压条件下的反应，大电极面积（如 100 cm²）等。实现这些目标，需严肃解决如下关键问题：特定 C₂₊ 产物选择性低、电池整体能效不佳、体系稳定性不足、后续产物分离成本高、复杂的动态过程与机理等。这些挑战与催化剂设计、反应机制表征以及传质调控密切相关。安培级 CO₂RR/CORR 所面临的主要挑战与未来展望详见图示（Scheme 2），其中未来展望主要包括催化剂的合理设计、多尺度原位/工况表征、安培级电流下的强化传质、CO₂RR/CORR 电解器的整体设计、提升的产率与能效、理解 CO₂/CO 电解系统的衰减机制、提升的 CO₂/CO 电解系统的耐久性、CO₂RR/CORR商业化。

Q. Sun, C. Jia, H. C. Lu, M. M. Yang, R. R. Liu, D. M. Villamanca, Y. Zhao, C. Zhao, Ampere-level Electroreduction of CO₂ and CO, Chem. Soc. Rev. 2025.

孙倩

于2023年在新南威尔士大学（UNSW）获得化学博士学位，导师为赵川院士。之后，在赵川院士课题组进行博士后研究（2023-2024年）。于2024年7月加入加拿大多伦多大学David Sinton院士课题组从事博士后研究，目前的研究方向为CO₂和CO电还原制备多碳产物。已发表31篇高水平学术论文，主要发表期刊如下： Chemical Society Reviews, Angewandte Chemie, ACS catalysis, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental。现任Carbon Neutralization期刊青年编委。

赵勇

现任澳大利亚纽卡斯尔大学工程系（School of Engineering）讲师（Lecturer）。2019年获得澳大利亚伍伦贡大学博士学位，2019至2022年先后在新南威尔士大学、悉尼大学、多伦多大学从事博士后研究，2023至2025年在澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）能源中心任研究员（永久职位）、独立开展科研工作。2024年获得澳大利亚研究理事会优秀青年基金（DECRA），于2025年6月全职加入纽卡斯尔大学。长期从事无机小分子（CO₂、CO、O₂、N₂）电化学转化与催化研究，聚焦于高效电催化剂的设计、反应系统工程及机理解析。已以第一或通讯作者在Nature Synthesis, Angewandte Chemie, Energy & Environmental Science, Chemical Society Reviews, Advanced Energy Materials, ACS Catalysis 等国际学术期刊发表论文65篇。 现任 Carbon Energy, Nano Research, Carbon Neutralization, Journal of Electrochemistry 等期刊青年编委。

赵川院士

澳大利亚工程院院士，英国皇家化学会会士，澳洲皇家化学会会士，皇家新南威尔士会会士。现任澳大利亚新南威尔士大学化学院教授，澳大利亚全球氢经济研究中心副主任，澳大利亚二氧化碳绿色转化国家重点实验室首席科学家，旗舰项目负责人。2016-2022 年任澳大利亚电化学会主席。2023年获澳大利亚电化学最高成就奖 R.H.Stokes Medal。2024年获澳大利亚化学界最高奖 H.G.Smith Memorial Award，成为澳大利亚皇家化学会成立百年以来获此殊荣的第一位华人。赵川教授是著名电化学家，材料化学家，全球高被引学者，长期从事纳米电化学技术及其在电化学储能与氢能源转换(电解水制氢、燃料电池、二氧化碳还原、水系质子电池等)、离子液体、气体传感器、人工耳蜗等领域的交叉研究，做出了杰出的贡献。多年来以主要作者在国际顶级研究期刊上发表高水平论文 350 余篇; 申请国际发明专利 16 项、其中 10项已成功实现商业化。

澳大利亚纽卡斯尔大学赵勇课题组招收电化学方向2名全奖博士研究生，研究方向：1)基于无机小分子（CO₂, CO, O₂, H₂）电化学转化的新型催化剂、反应器和系统设计2)基于电化学CO₂捕集/释放的新型电极/反应器设计和机理研究。有意者请联系yongzhao.uon@gmail.com，附简历（包含学习和研究经历、本/硕专业课成绩、英语成绩、论文发表情况等）。

新南威尔士大学赵川院士课题组长期招收博士、博士后，研究方向包括CO₂RR/CORR、电解水、燃料电池、N₂还原、水系电池等。课题组网址https://www.chemistry.unsw.edu.au/our-research/our-research-groups/zhao-group 有意者请联系：chuan.zhao@unsw.edu.au