CO₂RR（二氧化碳还原反应）是一种重要的电化学过程，旨在将二氧化碳（CO₂）转化为有价值的化学品和燃料，如一氧化碳（CO）、甲醇（CH₃OH）、甲烷（CH₄）、乙醇（C₂H₅OH）等。
该反应不仅在能源和环境领域具有重要意义，还为实现碳中和目标提供了技术路径。华算科技朱老师将从反应路径、产物分类、反应机制、催化剂设计、反应条件及挑战等方面进行详细阐述。
CO₂RR的反应路径根据产物的不同，主要分为C₁、C₂和C₃产物生成路径。C₁产物包括CO、HCOOH、CH₃OH等；C₂产物包括CH₄、C₂H₆、CH₃CH₂OH等；C₃产物包括丙醇、丙酸等。
反应路径通常涉及CO₂的初始还原、中间体生成及最终产物形成。例如，CO₂可通过一电子还原生成CO₂⁻，再质子化生成COOH*，最终脱附为CO或进一步还原为HCOOH、CH₃OH。
CO₂RR的反应路径涉及复杂的多步质子-电子耦合转移（PCET）过程，涉及电子、质子、碳碳偶联、碳氧键生成等过程。不同金属催化剂对产物选择性有重要影响，例如铜（Cu）基催化剂因其成本低、选择性广而受关注，但其反应机制复杂，调控困难。
CO₂RR的反应机制涉及多个步骤，包括CO₂吸附、中间体生成、C-C键形成及产物脱附。关键中间体包括COOH、CO、CHO等，其稳定性影响反应速率和选择性。例如，CO₂还原生成CO的路径为CO₂→CO₂→COOH→CO→CO↑，而甲酸生成路径为CO₂→CO₂→*HCOO→HCOOH。
CO₂RR的反应路径涉及多电子（2-18电子）反应，产物种类繁多，包括CO、CH₃OH、HCOOH、CH₄、C₂H₄、C₂H₅OH等。不同催化剂（如Cu、Au、Ag）对产物选择性有显著影响，例如Cu倾向于生成C₂+产物（如乙醇、乙烯），而Au、Ag则倾向于生成CO或HCOOH。
催化剂设计对CO₂RR的效率和选择性至关重要。Cu基催化剂因其成本低、活性高而被广泛研究，但其反应机制复杂，调控困难。其他金属（如Au、Ag）和非金属掺杂、单原子催化剂等也被用于提高反应效率和选择性。
反应条件（如pH、电位、电解质）对产物选择性有重要影响。例如，碱性条件更易生成CO和HCOO⁻，酸性条件更易生成CO和COOH⁻。离子液体可提高还原效率。
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