电化学 CO₂ 还原反应 (CO₂RR) 是关闭人为碳循环和通过将 CO₂ 转化为有价值的化学品和燃料来储存间歇性可再生能源的有吸引力的途径。生产除 CO 和甲酸盐以外的高度还原的碳化合物，如具有更高能量密度的碳氢化合物和含氧产物，特别适合于实际应用。然而，由于多个电子 - 质子转移步骤，高过电位和低选择性通常限制了高还原化学品的生产力。串联催化是一种很有前途的提高CO₂RR性能的方法。近年来，通过串联催化提高CO₂RR的效率已成为一个令人兴奋的研究前沿，并取得了重大进展。

有鉴于此，天津大学张志成教授和天津理工大学刘慧玲副研究员等人，介绍了CO₂RR串联催化设计的一般原则和注意事项。系统总结了用于提高CO₂RR性能的串联催化剂的最新进展，主要包括双金属合金纳米结构、双金属异质结构、双金属核壳纳米结构、双金属混合催化剂、金属-金属有机骨架（MOF）和金属-金属配合物、金属-非金属杂化纳米材料和无铜杂化纳米材料。

本文要点

1）串联催化，其中耦合的连续步骤由具有集成活性位点的多功能催化剂协同催化，可以有效地将简单分子转化为具有复杂结构的化学物质。电化学 CO₂RR 本质上由多个耦合或连续的质子电子转移步骤组成，因此为设计串联催化剂以提高效率提供了机会。基于串联催化的概念和 CO₂RR 的特性，串联 CO₂RR 催化剂的设计需要精确控制界面结构、结构和组成。自 2016 年报道的早期工作以来，CO₂RR 中的各种串联催化剂已经广泛证明了这些因素的重要性。对于异质结构，一个能够对后续步骤中涉及的某一中间体提供较高局部覆盖率的最佳界面应该有利于整体串联CO₂RR的效率。此外，应平衡催化剂中界面形成所产生的电子效应，以有利于每个耦合步骤。质量输运已被证明对CO₂RR有显著影响。具有高比表面积的纳米结构催化剂(如纳米多孔结构)通常对质量传输敏感。

2）值得注意的是，通过串联 CO₂RR 可以显着提高对高度还原的化学品和燃料（如 CH₄、C₂H₄ 和 C₂H₅OH）的活性和选择性。CO 是生产这些高度还原的化学品的常见中间体。通常，生产CO的活性位点与 Cu 相结合，可以依次产生深度还原的产物。CO₂首先被电化学还原为CO，然后CO在Cu上的高覆盖会导致高还原产物的高FE和低过电位。由于串联催化的有效性，C2+化合物的创纪录FE可高达52%。

参考文献：

Zhu, Y., Cui, X., Liu, H. et al. Tandem catalysis in electrochemical CO2 reduction reaction. Nano Res. (2021).

DOI: 10.1007/s12274-021-3448-2

https://doi.org/10.1007/s12274-021-3448-2