[论文解读] Enabling Heterogeneous Catalysis to Achieve Carbon Neutrality: Directional Catalytic Conversion of CO$_2$ into Carboxylic Acids

Huabin Zhang, Xiaofei Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2022

Carbon dioxide utilization in catalysis被引用 12

一句话总结

本综述提出通过光催化、电催化和热催化实现CO₂向羧酸的定向异相催化转化，重点在于对丰富催化剂进行分子级调控，以提升活性和选择性。综述提供了理论见解、先进表征技术以及代表性体系，为实现碳中和目标的可持续CO₂利用及高价值化学品生产提供路线图。

ABSTRACT

The increase in anthropogenic carbon dioxide (CO$_2$) emissions has exacerbated the deterioration of the global environment, which should be controlled to achieve carbon neutrality. Central to the core goal of achieving carbon neutrality is the utilization of CO$_2$ under economic and sustainable conditions. Recently, the strong need for carbon neutrality has led to a proliferation of studies on the direct conversion of CO$_2$ into carboxylic acids, which could effectively alleviate CO$_2$ emissions and create high-value chemicals. The purpose of this review is to present the application prospects of carboxylic acids and the basic principles of CO$_2$ conversion into carboxylic acids through photo-, electric-, and thermal catalysis. Special attention is focused on the regulation strategy of the activity of abundant catalysts at the molecular level, inspiring the preparation of high-performance catalysts. In addition, theoretical calculation, advanced technologies, and numerous typical examples are introduced to elaborate on the corresponding process and influencing factors of catalytic activity. Finally, challenges and prospects are provided for the future development of this field. It is hoped that this review contributes to a deeper understanding of the conversion of CO$_2$ into carboxylic acids and inspires more innovative breakthroughs

研究动机与目标

• 分析羧酸作为CO₂衍生高价值化学品的应用前景。
• 阐明利用光催化、电催化和热催化将CO₂转化为羧酸的基本原理。
• 探索在分子水平上提升丰富异相催化剂活性和选择性的策略。
• 整合理论计算与先进表征技术，以理解催化活性和反应机理。
• 识别在规模化、可持续CO₂制化学品转化方面面临的关键挑战与未来方向。

提出的方法

• 系统性综述CO₂转化为羧酸的光催化、电催化和热催化路径。
• 应用理论计算模拟反应机理，并识别催化剂表面的活性位点。
• 利用先进表征技术将催化剂结构与性能相关联。
• 分析代表性催化剂体系，包括过渡金属氧化物、单原子催化剂和非贵金属材料。
• 将实验数据与计算模型相结合，以指导催化剂设计。
• 强调分子级调控策略，以优化过电势、法拉第效率和选择性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在分子水平上设计异相催化剂，以实现CO₂向羧酸转化的高活性和高选择性？
• RQ2 光催化、电催化和热催化将CO₂还原为羧酸的关键机理路径及决速步是什么？
• RQ3 理论计算与先进表征技术如何促进对催化剂性能及结构-活性关系的理解？
• RQ4 在工业碳中和应用中，实现CO₂向羧酸转化规模化面临的主要挑战是什么？
• RQ5 哪些设计原则可指导开发地球丰度高、低成本的催化剂以实现可持续CO₂利用？

主要发现

• 对异相催化剂进行分子级调控可显著提升CO₂转化效率和羧酸选择性。
• 光催化和电催化体系在常温常压下对甲酸和乙酸的生成表现出优异的法拉第效率。
• 理论计算表明，表面配位环境和d带中心显著影响CO₂的吸附能和活化能垒。
• 单原子催化剂和非贵金属催化剂表现出优异的性能，为替代贵金属体系提供了可行路径。
• 先进的原位和工况表征技术可实现实时监测反应中间体及活性位点的演化。
• 计算模拟与实验验证的结合加速了催化剂的发现与优化。