Cation effects in electrocatalytic reduction reactions:Recent advances

电催化还原反应中的阳离子效应:最新进展

Electrocatalytic reduction reactions,powered by clean energy sources such as solar energy and wind,offer a sustainable method for converting inexpensive feedstocks(e.g.,CO_(2),N2/NOx,organics,and O_(2))into high-value-added chemicals or fuels.The design and modification of electrocatalysts have been widely implemented to improve their performance in these reactions.However,bottle-necks are encountered,making it challenging to further improve performance through catalyst development alone.Recently,cations in the electrolyte have emerged as critical factors for tuning both the activity and product selectivity of reduction reactions.This review summarizes recent advances in understanding the role of cation effects in electrocatalytic reduction reactions.First,we introduce the mechanisms underlying cation effects.We then provide a comprehensive overview of their application in electroreduction reactions.Characterization techniques and theoretical calcula-tion methods for studying cation effects are also discussed.Finally,we address remaining challeng-es and future perspectives in this field.We hope that this review offers fundamental insights and design guidance for utilizing cation effects,thereby advancing their development.

近年来,全球对于清洁能源技术的需求日益增长,利用太阳能和风能等可再生能源驱动的电化学还原反应成为实现可持续化学生产的重要途径.将廉价原料(如CO_(2),N2/NOx,有机物,O_(2))升级为高附加值的化学品或燃料,为能源转换和化学品生产提供了新的可能.在过去几十年里,为提高电化学还原反应活性,研究人员开发和改良了许多种类的电催化剂.然而,仅依赖催化剂的优化提高催化性能仍存在局限性.研究表明,在电化学还原反应中,电解质中阳离子的种类和浓度对反应活性和产物选择性有重要影响.因此,深入探讨阳离子效应在电催化还原反应中的作用机理及其应用对于推动清洁能源和绿色化学领域的电化学研究具有重要意义.本文对阳离子效应在调控电化学还原反应活性和产物选择性的反应机理、表征手段、计算方法以及应用范围进行讨论,并对该领域面临的挑战和未来发展进行了展望.首先,详细概括了阳离子效应在电化学还原反应过程中的机理,包括促进反应物的吸附/稳定反应中间体、局部电场和界面pH的调控以及对氢析出对反应的影响.其次,全面总结了阳离子效应在电化学还原反应中的应用,包括电催化二氧化碳还原反应、电催化氮气/硝酸根还原反应、电催化有机化合物还原反应以及氧还原反应.通过上述反应展示了阳离子效应如何通过调节电催化反应的局部环境和反应路径,有效地提升了电催化还原反应的活性和产物选择性,进一步证明了在电催化还原领域深入研究和应用阳离子效应的重要性和潜力.随后介绍了一系列针对阳离子效应研究的原位和非原位表征手段以及理论计算模拟的方法.最后,概述了阳离子效应在电催化反应中所面临的挑战,并对未来的研究方向进行了展望,主要挑战包括:(1)在阳离子反应机理方面,可以利用先进的技术手段更准确地揭示界面电场效应;(2)在表征技术方面,开发新的技术手段以识别特定反应/阳离子系统在操作条件下的主要机制;(3)催化剂稳定性方面,应开发新的方法和策略来优化电催化剂;(4)催化剂设计策略方面,应深入探索和发展先进的修饰策略(如非晶态单原子或双原子研究、范德华异质结、微环境调节、自旋态调节以及非晶态二维层状材料耦合等);(5)开发阳离子效应在其他催化领域中的应用;(6)发展阳离子效应在电催化氧化反应中的研究;(7)深入研究电催化剂体相结构因阳离子插入而发生的动态变化.综上所述,本文深入系统地总结了阳离子效应对电催化还原反应的机理和应用,并对该领域目前存在的挑战和未来的研究方向进行了展望,以期为阳离子效应的应用提供基础认知和设计参考,进而推动阳离子效应的快速发展.