CO_(2)电还原反应中的基础问题及原位振动光谱的对策

摘要

近年来,全世界达成了减少温室气体排放、防止气候恶化的共识.二氧化碳电还原(CO_(2)RR)是利用可再生能源产生的电能将CO_(2)气体转化为高能量密度化学品的方案,可实现CO_(2)的有效利用和可再生能源的存储,是其实现碳循环的有效途径.CO_(2)RR过程涉及多个电子转移与质子耦合,该反应体系复杂,中间产物覆盖度低,因此长期以来有关其电催化机理研究是一个挑战性难题.同时,CO_(2)RR过程中催化剂结构演变、活性位点的识别、电解质的作用机制和吸附态CO角色等问题仍存在争议.原位振动光谱可用于监测界面上CO_(2)还原反应过程中催化剂结构演变、捕获弱吸附的中间产物,能够为理清反应机制和反应路径提供关键信息.本综述介绍了原位振动光谱包括红外、拉曼和和频光谱等对CO_(2)RR中关键基本问题的解决策略,主要包括:(1)揭示了不同电极上CO_(2)RR的反应中间体和反应路径;(2)探讨了CO在CO_(2)RR中的角色,包括CO的吸附构型、覆盖度以及作为分子探针的作用;(3)明确了催化剂(主要Cu基催化剂)的结构与组成对CO_(2)RR活性和选择性的影响;(4)讨论了CO_(2)RR过程阴、阳离子对界面局部电场和pH,以及反应中间体的影响.CO_(2)RR过程的复杂性为该领域的研究带来了更多的挑战和机遇,本文对原位振动光谱的未来发展和应用策略提出以下建议:(1)发展和应用能涵盖指纹区检测的高灵敏宽频红外光谱技术,获取更多更可靠的中间物种和产物信息;(2)耦合多种原位和在线谱学方法深入揭示CO_(2)还原催化剂构效关系;(3)发展和应用适合于膜电极体系的振动光谱技术,探索工况条件下的CO_(2)RR反应机制.