英文原题：Electrochemical CO₂ reduction to C₃₊ products: a review

作者：Fanping Wang, Bingqing Wang, Tianyu Zhang*, Junfeng Liu*

01 论文信息

论文信息

Fanping Wang, Bingqing Wang, Tianyu Zhang and Junfeng Liu. Electrochemical CO₂ reduction to C₃₊ products: a review[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.02.009

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Electrochemical CO₂ reduction to C₃₊ products: a review

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Green Carbon文章 | 北京化工大学刘军枫教授、宁波大学张天宇教授：电化学二氧化碳还原至C₃₊产品研究进展

02 背景简介 

随着工业化的进程，化石燃料的过度使用导致了大气中二氧化碳（CO₂）的积累，从而引发了环境问题和能源危机。为了减缓这些环境问题并有效利用低成本的CO₂资源，低碳技术的研究成为重要课题。其中，通过电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）将CO₂转化为增值的多碳化学品（C₃₊）被认为是实现碳中和的一个重要途径。与传统的热催化过程相比，电化学CO₂还原具有更安全的反应条件、更可调节的反应速率和产品选择性，并且能够利用可再生能源，实现绿色清洁生产。

北京化工大学刘军枫教授、宁波大学张天宇教授于Green Carbon发表题为“Electrochemical CO₂ reduction to C₃₊ products: a review”综述论文，文章回顾了电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）生成C₃₊产品的最新进展，对C₃₊产物催化剂进行分类讨论，分析它们对C₃₊产品的选择性和效率的影响。文章还介绍了串联催化在CO₂RR生成C₃₊产物中的应用与挑战，指出串联催化能够提高CO₂RR还原过程中的中间体稳定性，促进C-C偶联反应。最后对C₃产物进行技术经济评估，当法拉第效率达到90%且电流密度为500 mA/cm²时，生产C₃产物比C₂产物盈利更多。

03 文章简介

简要介绍

实现碳中和的一个潜在途径是通过电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）生产高附加值的多碳化学品。本文综述了能够将CO₂还原为C₃₊产物的催化剂并对其进行分类讨论，介绍了串联催化在CO₂RR生成C₃₊产物中的应用与挑战，并对C₃产物进行技术经济评估。在催化剂设计方面，本文将用于生成C₃₊产品的催化剂分为四大类：金属铜、铜基化合物、铜基双金属催化剂和非铜催化剂，并分析了它们在不同反应条件下对C₃₊产品的选择性和效率的影响。串联催化是一种利用多个催化剂协作来提高CO₂转化效率的策略。将CO₂转化为CO，再将其转化为C₃₊产品，能够有效解决单一催化剂对中间体稳定性差和C-C偶联反应效率低的问题。从技术经济角度看，将CO₂转化为能量密度更高的C₃₊产物更有价值。然而当前催化剂的选择性仍然较低，无法满足工业化需求。根据成本分析，当法拉第效率达到90%且电流密度为500 mA/cm²时，C₃产物的生产比C₂产物更具盈利性，显示出电合成的市场前景。

重要进展与研究趋势

1、催化剂设计：本文综述了能够生成C₃₊产物的金属铜、铜基化合物、铜基合金和非铜催化剂。现有研究表明，表面粗糙度较高的金属铜催化剂更有利于C₃₊产品的形成。通过精准调控铜基化合物的化学组成，诱导铜元素呈现混合价态（Cu⁺/Cu⁰），进而调控吸附于Cu⁺与Cu⁰位点的两个*CO分子中碳原子的电荷分布，使其分别呈现δ⁺与δ⁻的电荷极化状态。这种电荷梯度不仅为C-C键的生成提供了有利条件，更通过构建能够高效稳定C₁中间体的活性位点结构，显著提升了C₃₊产物的选择性和合成效率。此外，通过构建铜基合金催化剂，能够提高催化剂表面CO中间体的覆盖度，从而提高C-C偶联的几率，促进C₃₊产物的生成。同时，本文还探讨了非铜催化剂在CO₂还原反应中生成C₃₊化学品的潜力。

2、串联催化：鉴于同时稳定C₁和C₂中间体的催化活性位点设计仍面临技术挑战，构建串联催化体系以实现CO₂至CO的转化，再通过其他催化剂将CO进一步转化为C₃₊产品的路径可显著提升C₃₊产品的转化效率。通过优化串联催化体系的反应条件，能够有效解决单步催化中反应中间体不稳定以及C-C偶联反应效率低的问题，从而显著提高多碳产物的选择性和整体催化性能。

3、技术经济评估：电化学CO₂还原至C₃₊产品，从长远来看，具有重要的市场价值，特别是在用于生产丙烯、丙烷等关键化学品领域，其市场规模庞大。然而，现阶段CO₂还原为C₃₊产品的选择性较低，且现有的催化剂性能与反应效率尚无法满足工业化生产的需求。本文分别计算了电化学CO₂还原合成正丙醇和异丙醇的成本，并与当前市场价格进行了对比。结果显示，当法拉第效率达到90%，电流密度为500 mA/cm²时，在电价和能量转换效率相同的情况下，相较于C₂产物（如乙烯、乙醇等），生产C₃₊产物具有更强的盈利能力。

总结与展望

本文综述了电化学CO₂还原反应（CO₂RR）用于C₃₊产品合成的最新进展，重点介绍了催化剂设计、串联催化体系构建及技术经济性评估等关键方向。未来研究应进一步关注高效C₃₊电催化材料的开发，探索催化剂的活性、选择性和稳定性的优化策略。成功实现CO₂向C₃₊产品的转化不仅有助于降低对化石燃料的依赖，还将有效促进绿色能源的应用，并为实现碳中和目标提供关键支持。

04 作者简介

刘军枫 教授

刘军枫，北京化工大学化学学院教授，Green Carbon青年编委。2002年、2007年分别获清华大学本科、博士学位，先后任职于中国人民大学化学系和北京化工大学化学学院，2013-2014年在新加坡南洋理工大学进行学术访问研究。北京市科技新星、教育部新世纪优秀人才获得者。研究方向为无机功能纳米材料结构设计合成及其在能源、催化领域的应用研究。面向国家能源催化领域可持续重大发展战略，聚焦分子、原子层面上精准可控的高质量单分散纳米晶、单原子催化材料的结构调控和制备方法。以通讯或共同通讯作者在JACS、Nat. Commun.、Angew. Chem. In. Ed.、Adv. Mater.等国际一流学术期刊上发表论文80余篇，参编专著一部，授权中国发明专利20余件。曾获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学二等奖。

张天宇 教授

张天宇，宁波大学海运学院教授，Green Carbon青年编委。博士毕业于北京化工大学，师从刘军枫教授。2019年赴南洋理工大学刘彬课题组交流。毕业后，先后加入新加坡国立大学汪磊与香港大学郭正晓（欧洲科学院院士）课题组开展博士后研究。研究聚焦探究单原子催化剂的精细配位环境与催化活性之间的构效关系，在原子/纳米尺度解决催化剂的活性，稳定性，质量传输等问题，进而推进高效海水电解制氢，燃料电池，金属空气电池的应用。在Nat. Commun.、 Adv. Mater.、 Angew. Chem. In. Ed.等期刊发表SCI论文20余篇。

05 Green Carbon

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