Comprehensive understanding and rational regulation of microenvironment for gas-involving electrochemical reactions

Qiyang Cheng, Mengfan Wang, Jiajie Ni, Lifang Zhang, Yu Cheng*, Xi Zhou, Yufeng Cao, Tao Qian*, Chenglin Yan*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.307

随着经济和技术的快速发展，大量不可再生的化石燃料被消耗，导致生态环境严重恶化和能源短缺。因此，迫切需要探索和开发绿色可持续的新型能源转换方式，以缓解全球范围内的能源及环境问题。多相电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）和氮还原反应（NRR）可以将常见的低附加值原料转化为高附加值产品，因而在近年来收到广泛的关注。CO₂RR和NRR体系通常由阴极、阳极、电解质和离子交换膜构成。其中，在阳极发生析氧反应（OER）并为阴极反应提供电子和质子，在阴极反应中二氧化碳和氮气被还原并加氢形成高附加值的产物，如一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙醇、肼和氨等。在过去的很长一段时间，大量的研究集中在催化剂的设计修饰，其本质在于增强催化剂的本征活性。但是，实际上的电化学反应动力学和热力学往往受到三相反应界面局部微环境的影响，制约了电化学反应的速率和选择性。

Ⅰ、本文系统总结了在二氧化碳还原和氮还原反应中局部微环境调控的研究策略，将影响热/动力学的因素总结并划分为反应物气体传质，质子供给和电子传输三个方面；

Ⅱ、分别从电解槽、电解液和电催化剂的角度深入剖析了局部微环境的调控策略，揭示了其在提高电化学反应速率以及目标产物选择性中所发挥的重要作用；

Ⅲ、讨论了目前微环境调控在涉气电化学反应中的挑战以及工业化应用前景，提出了未来涉气电化学反应微环境研究的指导策略：通过先进理论计算深入解析电化学反应的路径及变化趋势；利用高效原位表征技术对电化学过程进行直观观测及分析；结合多尺度方法指导电化学反应局部微环境的合理设计。

在这篇综述中，苏州大学晏成林教授和南通大学钱涛教授团队总结了局部电化学微环境在涉气电化学反应中的范式研究策略，这为可持续高效还原空气中的二氧化碳和氮气并加氢合成高附加值产物提供了切实可行的途径，也为解决环境恶化和能源短缺提供了有力措施。本文将影响反应热力学和动力学的因素划分为反应物气体传质，质子供给和电子传输三个方面，从电解槽（优化装置、控制实验条件和设计工作电极）、电解质（增加气溶解度、调节质子供应和替换阳极反应）和电催化剂（提高气体亲和度、调节疏水性和增强电导率）的角度系统总结分析了局部微环境的调控策略，强调了微环境和电化学性能之间的构效关系。最后，展望了微环境调控在涉气电化学反应方面的应用前景和所面临的挑战，为推动新一代涉气电化学反应体系的综合开发提供了重要参考。

文章以题为“Comprehensive understanding and rational regulation of microenvironment for gas-involving electrochemical reactions”为题发表在Carbon Energy上。