用可再生电力驱动CO2电化学转化为液体燃料，提供了一种解决间歇性可再生能源存储需求的方法。CO2还原（CO2RR）生成的各种产品（CO，甲酸，甲烷，乙烯，乙醇和1-丙醛）中，乙醇（一种液体燃料或燃料添加剂）是迫切需要的，因为乙醇的体积能量密度很高，并且可以利用现有的广泛基础设施进行存储和分配。但是，电化学CO2转化为乙醇涉及多个中间体以及多次质子和电子转移，这使得开发更高效的电催化剂成为一个重要但又具有挑战性的课题。近日，多伦多大学Edward H. Sargent等提出了分子-金属催化剂界面的协同催化剂设计，其目标是产生一个富含反应中间体的局部环境，从而改善由CO2和H2O电合成乙醇的性能。作者通过使用一系列基于卟啉的金属配合物将铜表面功能化来实现该策略，该卟啉金属配合物可催化CO2转化为CO。通过DFT计算，原位拉曼光谱和operando X射线吸收光谱研究，作者发现局部高浓度的CO促进了碳-碳偶联并引导了反应路线向乙醇转移。实验表明，作者设计的催化剂将CO2转化为乙醇的法拉第效率可达41％，在-0.82 V（相对于可逆氢电极）时，部分电流密度为124 mA cm-2。此外，作者将催化剂整合到基于膜电极组件的系统中，实现了13％的整体能源效率。该工作提出了一种利用吸附分子和非均质途径之间的协同效应改善电催化CO2转化为增值液体燃料的方法。
Fengwang Li, Yuguang C. Li, Ziyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent*, et al. Cooperative CO2-to-ethanol conversion via enriched intermediates at molecule–metal catalyst interfaces. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0383-7
