研究背景

电化学CO2还原反应(CO2RR)是实现碳中和和可持续能源存储的重要策略。然而,CO2RR机理复杂,涉及多种电催化剂、中间体和产物,反应路径难以解析。活性位点在操作条件下的动态演化以及三相界面的固有复杂性给实时监测带来巨大挑战。原位表征技术的发展为解决这些挑战提供了关键洞察,但建立原子级过程与宏观系统行为之间的连贯框架仍然困难。 

痛点问题

1. CO2RR机理尚不明确,反应路径难以解析,涉及多种电催化剂、中间体和产物

2. 活性位点在操作条件下的动态演化复杂,结构-活性关系难以建立

3. 三相界面的固有复杂性(气-液-固三相共存)对实时监测构成巨大挑战

4. 不同微区域的物理化学状态差异大,原位数据解读困难,难以建立跨区域理解

5. 建立原子级过程与宏观系统行为之间的连贯框架仍然困难

核心发现

1. 从立体视角将CO2RR微环境划分为四个功能微区域:电解质环境、反应界面、电催化剂结构和扩散场

2. 系统总结了原位表征技术(ATR-SEIRAS、Raman光谱、同步辐射X射线技术、电子显微镜等)在各微区域的最新应用进展

3. 揭示了电解质中阳离子效应通过调节局部电场、氢键网络和pH影响CO2RR性能,发现焓-熵补偿现象

4. 阐明了反应界面关键中间体(*CO、*OCHCH2等)的形成机制和转化路径,为产物选择性调控提供指导

5. 发现了Cu基电催化剂在操作条件下的动态结构演化,包括非晶界面层形成、纳米颗粒迁移聚集和氧化态动态变化

6. 识别了扩散场中的水淹和盐析问题,提出脉冲操作等缓解策略,为工业应用提供指导

7. 强调了多技术联用和理论计算结合的重要性,为未来CO2RR研究指明方向

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-026-02226-4