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2025 年颁发于《The Chemical Record》的文件《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》，对电催化技术的远景及其在实现电子化学将来中的作用进行了深刻探求 。
《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》这篇文件萦绕电催化钻研近况、新兴方向、电催化到光电催化的转变、串联/配对电催化反映、电催化介导合成等多个方面发展分析，既论述了电催化在 CO?还原、氮气固定等新兴方向的潜力，也指出了其在成本、技术及钻研局限等方面面对的挑战，旨在为推动电催化技术的发展、加快低碳化学出产模式的实现提供思路与参考 。
电催化的新兴方向重要集中在以下几个关键领域：1. CO?还原反映（CO?RR），旨在将二氧化碳转化为有价值的化学品，这对于碳循环和削减温室气体排放拥有沉要意思；2. 氮气固定（N?还原），即通过电催化将氮气转化为氨等含氮化合物，为绿色肥料出产等提供新蹊径；3. 生物质衍生化学品的电催化转化，可将生物质中的成分转化为大量化学品，有助于削减对化石资源的依赖；4. 电催化出产*（H?O?），*作为一种清洁氧化剂，在多个工业领域有沉要利用，该方向拥有较高的工业潜力 。
电催化发展面对着多方面的挑战：1. 科学与技术挑战，蕴含反映的可扩大性问题，如若何实现电极尺寸的扩大和现实操作前提的优化，以及部门反映（如 CO?RR、NRR）的机能尚未达到工业利用要求；2. 成本问题，与电催化技术有关的固定成本和运营成本依然过高，必要通过改进电催化剂 / 电极设计、优化操作前提等降低成本；3. 钻研局限，当前钻研多集中在电催化剂的机理和设计方面，对系统工程的关注不及，且不足对分歧反映协同利用等方面的深刻索求，同时在理论步骤上，尚未形成统一的电化学和电催化理论来领导新型电催化剂的设计 。
从电催化到光电催化是推动能源与化学品出产向可持续、循环和有韧性将来转型的沉要方向，其主题在于整合直接利用太阳光的能力，开发光电催化（PEC）器件 。PEC 器件重要有两种类型：一种是光活性单元集成到阳极部门（PECa），其中光活性职能通常集成在阳极，虽存在使阳极和阴极都具备光活性的可能性，但现实实现面对诸多难题；另一种是光活性单元作为光伏单元（PV/EC）表部存在并最终集成到电池中，其配置基于独立的光伏电池驱动电催化单元 。PECa 紧凑型电池设计中，阴极和阳极直接位于膜的两侧，可削减传输限度以提升机能，还能使用气体扩散电极解除电解质并实现零间隙电池 。
与电催化器件相比，PEC 系统的电流密杜纂光活性元件提供的电流密度、电池电阻及光组件和电组件的耦合有关，工业感兴致的电催化过程典型电流密度高于 500 mA/cm?，而 PEC 器件的电流密度要低一个数量级以上 。此表，电催化器件可陆续运行，PEC 器件则需在有阳光时运行，这要求其设计需从低成本造作以适应不陆续运行的角度启程，而非传统的太阳能到化学的转换效能考量 。在有效性和机理方面，PEC 与电催化步骤性质一样，但 PEC 在电势和电流密度上存在限度，电催化器件电流密度可达 1 A/cm?，PEC 器件则通常低两个数量级 。同时，分散式出产模式下，PEC 出产单元需尽可能削减下游操作，以与出产单元的出产率、压力等相兼容，但目前文件对这些方面关注较少，PEC 器件也多作为独立元素钻研，不足在价值链中的集成考量 。
串联 / 配对电催化反映在生物基过程领域展示出巨大潜力，其主题优势在于可能实现过程 intensification 并开发低碳工艺，同时可利用可再生能源，还能通过原位天生 redox 反映物（如氢当量、活性氧物种）预防还原剂或氧化剂的出产成本 。不外，只管该技术已被认知多年，目前仍无贸易利用事俘，重要面对诸多需克服的难题：一是需鉴别相宜的电催化剂，这类催化剂需在高电流密度下兼具高法拉第选择性和高不变性，以应对电极传染或浸出等典型问题；二是要实现阳极和阴极反映的配对匹配，确保反映快率、电子及 H?/OH? 流动等方面的平衡 。
当前钻研常聚焦于单个电极侧（尤其是阴极），而对两侧的协同利用关注不及 。当钻研聚焦阴极反映（如 CO?RR 或 HER）时，析氧反映（OER）是典型的阳极反映，但 OER 动力学缓慢且必要较高过电势，因而人们常索求代替氧化反映，蕴含废水氧化等，近期也起头关注能量上易进行且动力学急剧的反映以加快过程 。不外，部门代替反映（如用氢气氧化提升氨电合成机能、用硝酸盐代替 N? 进行氨还原）虽能改善某些机能，却并非提升技术经济可行性和可持续性的梦想规划，钻研需更多关注有关价值链和工业现实案例 。
一些欧盟项目已萦绕串联 / 配对电催化反映发展索求，例如 TERRA 项目索求利用电池温度差匹配阴阳极反映，PERFORM 项目尝试将葡萄糖氧化与加氢脱氧配对出产己二酸等 。此表，将 CO?RR 与有机（生物基）化学品的电氧化（OOR）配对也是新兴方向，如 5 - 羟甲基糠醛（HMF）氧化为 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）与 CO?RR 配对，不仅能降低过电势，还可产出高附加值化学品 。但总体而言，该领域钻研仍存在诸多不及，如不足对全电池反映的系统钻延注部门集成过程尚未得到电催化证明、下游处置成本高及有关科学基础幽微等，需进一步索求优化 。
电催化介导合成（又称间接电解）是一种在有机电合成中利用成熟，但在其他电催化领域尚未宽泛遍及的步骤 。其主题道理是通过 redox 介质作为电子转移剂实现底物的间接转化 —— 当底物难以直接产生氧化还原反映时， redox 介质可吓纂电极产生电子转移，再与底物反映，从而推动指标转化的进行 。这种步骤拥有多方面优势：一是能解除电极与底物之间异质电子转移的动力学抑造，降低反映过电势；二是 redox 介质可展示出与直接电解分歧的选择性，甚至更高的选择性；三是由于反映在较低电势下进行，可削减或预防电极因高电势导致的失活问题；四是能躲避高电势下易产生的副反映，提高产品纯度 。
不外，电催化介导合成也存在显著局限，其额表成本（尤其是下游分离和 redox 介质回收环节）对大量商品和大量化学品的出产而言较为关键 。在有机电合成中，高附加值化学品的利润空间可覆盖这些成本，但在大规模工业出产中，成本节造难度显著增长 。常用的 redox 介质因反映类型而异，阳极氧化中多选取特定的过渡金属化合物等，阴极反映则可使用过渡金属共同物等 。总体而言，电催化介导合成作为一种潜在的高效转化战术，仍需结合具体利用场景进一步索求优化，尤其在降低成本、提升介质循环效能等方面需突破，以拓展其在更宽泛电催化领域的利用 。
电子化学愿景旨在通过电催化等技术，解决弹性发展、碳中性出产及碳循环经济等社会挑战，推动化学品和能源出产模式向可持续、低碳的方向转型 。
实现电子化学将来是应对社会挑战的沉要方向，其主题在于通过电催化等技术构建全新的化学品和能源出产模式 。这一将来模式需达成三大指标：一是发展拥有韧性的发展模型，最大限度削减对表部资源的依赖和限度；二是成立碳中和甚至碳负性的出产系统，降低环境影响；三是实现超过化石燃料的碳循环经济 。电催化作为关键技术，在其中表演着推动转型的主题角色，而若何优先整合各类电催化反映、突破现有钻研局限以实现从传统热催化到电子化学的逾越，是必要沉点索求的问题 。
实现电子化学将来必要多方面的致力 。在钻研层面，要突破当前局限，从更宽泛的角度索求电催化的潜力，如拓宽反映领域、加强分歧反映的协同利用，同时器沉系统工程的钻研；在技术层面，需改进电催化反映器设计，开发先进的电催化反映器，优化操作前提以降低成本；在理论层面，要成立统一的电化学和电催化理论，为新型电催化剂的设计提供领导 。此表，还需结合新兴的技术和步骤，如 3D 打印等加快电催化技术的规；，推动其从尝试室钻研走向工业利用，最终构建起可持续的电子化学将来 。
只管电催化钻研热度渐升，但潜力尚未充分挖掘，在技术、成本及钻研方向等方面存在诸多挑战 。目前，从尝试室迈向工业利用的过程缓慢，部门源于对电催化诸多可能性意识不及 。将来，需拓宽钻研天堑，索求如 CO?还原、氮气固定等新兴反映的潜力，加强分歧反映的协同利用；要成立新的评估模型，以正确衡量电催化在全新场景中的影响；还应通过跨领域合作，引发创造性钻研，将理论成就转化为现实出产力，推动电催化技术宽泛利用，助力构建可持续、碳循环的电子化学将来 。
期刊：The Chemical Record
通讯作者：Gabriele Centi、Siglinda Perathoner
通讯单元：University of Messina
DOI：10.1002/tcr.202400259
京公网安备 11010802043640
