生物几乎完全(99%)由4种元素组成：氢、碳、氮和氧。这一事实可能与它们之间可以形成稳定的化学键有关，这是构建生命所需的复杂生物分子所需的特性(例如，长链分子中典型的C-C键离解能为360 Kj/mol)。然而，这些键的稳定性通常随着分子尺寸的减小而增加，使得氮气(945 kJ/mol)、二氧化碳(532 kJ/mol)、水(497 kJ/mol)和甲烷(439 kJ/mol)成为非常稳定的末端产物。与氮气尤其是甲烷对比，水和二氧化碳可以被认为是能源的死角。因此，这些非常丰富的小分子是用于将可再生能源储存在燃料中或生产其他高价值化合物的有效平台。这一概念在“人造树叶”中得到充分的展现，催化反应和光能被整合在同一个装置中，理想情况下，只需要水、太阳和分子即可实现能源的转换和利用。实现利用水、二氧化碳、氮气和甲烷，这四种储量丰富的小分子，与太阳能等可再生能源的结合，通过一种基于小型反应装置的分布式循环能源模式，有望改变传统的依赖于化石资源生产和运输的集中式能源生产和利用模式，实现人类社会的可持续发展。利用储量丰富的小分子，如水、二氧化碳、氮气和甲烷等，与太阳能等可再生能源的结合，形成一种基于小型反应装置的分布式循环能源模式，即所谓的人造树叶，是解决当前面临的能源短缺和环境污染问题的伟大愿景，然而要实现这一蓝图，仍需要提高催化性能、改进反应装置和工艺工程等各方面的努力。近日，苏黎世联邦理工学院的Javier Pérez-Ramírez通过建立相同的催化数据评价标准（即法拉第效率、能源效率、过电位、电流密度和稳定性），分析了目前催化性能面临的核心挑战，首先从宏观的角度说明了它们距离实用应用价值之间存在的较大差距，描述对比了每种小分子转化的发展程度，然后分别讨论了当前导致小分子电催化转化的效率较低的根源，并且通过定性比较，认为四种方案的可行性难易程度为eH₂ORR>>eCO₂RR≥eN₂RR>eCH₄OR。

Antonio José Martín, Javier Pérez-Ramírez. Heading to Distributed Electrocatalytic Conversion of Small Abundant Molecules into Fuels, Chemicals, and Fertilizers. Joule, 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.007

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.007