电化学CO₂还原反应（CO₂RR）是一种很有前途的策略，可在实现全球碳循环的同时实现电化学能量存储。碳载单原子催化剂（SAC）由于其高效率和低成本而在电化学CO₂RR研究中具有很大的潜力。金属中心的性能与局部协调环境和来自碳基材的远程电子插层有关。

有鉴于此，纽约州立大学布法罗分校武刚教授和昆明理工大学Yi Mei等人，综述了近年来碳负载SAC的合成及其在电催化CO₂还原制备CO以及其他C1和C2产品方面的最新进展。其中包括MNx催化剂、多相分子催化剂和基于共价有机框架(COF)的SACs。

本文要点

1）介绍了将单原子位点锚定在不同碳载体上的可控制合成方法，重点研究了前体和合成条件对SAC最终结构的影响。对于CO₂RR的性能，系统总结了各种金属中心的内在活性差异以及通过调节金属中心的电子结构来提高活性的策略，这可能有助于促进高活性和选择性SAC的合理设计，以将CO₂还原为CO和其他C1和C2产品。

2）尽管碳载SAC在其他与能源有关的电化学反应中的蓬勃发展可以为制备和表征方法提供指导，但使用碳载SAC的电化学CO₂还原仍处于起步阶段。由于CO₂RR的复杂中间体和反应途径，催化选择性是一个需要考虑的重要参数。通过合理选择金属中心并调节其电子结构，许多碳载SAC表现出出色的CO2RR性能，并且对CO生产具有很高的选择性。但是，在实际应用中，碳载SAC对其他高价值多电子产品的选择性远远不能满足实际应用。

3）大量的实验数据表明，金属中心的CO₂RR性能不仅与局部配位环境有关，而且还与碳基材上的远距离电子嵌入有关。充分理解金属-衬底的相互作用对于合理设计高活性和高选择性的SAC具有极其重要的意义。而且，基于MNx的催化剂的选择具有多个优点，例如密集分散的活性位点，良好的电导率和传质快。然而，由于缺乏可控的合成方法，优化它们的性能仍然主要取决于试错法。因此，阐明CO₂RR在碳载SAC上的反应机理对于优化反应条件和催化剂结构至关重要。非均相分子催化剂和基于COF的催化剂由于其均匀的结构和明确的活性位点，为实现理论指导的催化剂制备提供了另一种方法。然而，为了快速筛选合适的金属中心和相应的构型，还需要将CO₂RR活性与SAC的电子结构联系起来的直观而准确的描述符。

参考文献：

Yuanzhi Zhu et al. Carbon‐Supported Single Metal Site Catalysts for Electrochemical CO₂ Reduction to CO and Beyond. Small, 2021.

DOI: 10.1002/smll.202005148

https://doi.org/10.1002/smll.202005148