将大量或容易获得的廉价碳原料的一碳（C1）分子选择性转化为高附加值的多碳化合物（C2+）是一个非常有吸引力但极具挑战性的研究目标。光催化和电催化为C1分子在温和环境条件下的活化和可控C-C耦合提供了很大的机会。

有鉴于此，厦门大学王野教授、张庆红教授和中国石化上海石油化工研究院Yangdong Wang等人，综述了近年来在化学或能源工业中发挥重要作用的C1分子(包括CO、CO₂、CH₄、CH₃OH和HCHO)光催化和电催化转化为C2+化合物(如C₂H₄、C₃H₆、乙醇和乙二醇)的研究进展。总结介绍了用于转化的光催化剂和电催化剂，还分析了结构性能关系以及控制活性和产物选择性的关键因素，从而为合理设计从C1原料合成C2+化合物的高效催化剂提供了见识。讨论了活性物质，反应中间体和反应或催化剂的作用机理，以加深对在太阳能或电能存在下C1分子活化和选择性C-C偶联的化学认识。

本文要点

1）先进的表征技术促进了C1分子的光催化和电催化转化的进展，特别是在阐明活性位点和反应中间体方面。以电催化CO₂RR和CORR为例。为了了解在氧化物衍生的Cu催化剂上导致高C2+FE的活性位点的性质，已采用多种原位表征技术研究了反应条件下Cu的氧化态，包括表面增强拉曼光谱和时间分辨X射线吸收光谱法。原位光谱研究也已用于检测反应中间体。但是，值得注意的是，大多数原位表征技术都是在低反应速率的条件下进行的，这与实现高反应速率所采用的条件不同。应继续发展原位表征技术，以提高其在真实反应条件下的工作能力。

2）理论计算在很大程度上有助于理解活性位点和将C1分子转化为C2+产物的反应机理，以及指导选择性控制。通过使用DFT计算，已在分子或原子水平上研究了包括C1分子活化，质子/电子转移，C1中间体形成，C1中间体的C-C偶联和产物形成等基本步骤。然而，大多数理论计算都是基于气相反应模型，而很少考虑覆盖率，溶液，电解质和电场的影响，尽管这些影响对于光催化和电催化反应非常重要。未来在这一领域应作出更多努力。

3）可以开发更可持续的利用C1分子的途径，以生产C2+化合物。光催化和电催化不仅可以在非常温和的条件下进行一些现有的C1化学反应，例如将CO加氢成C2+烃，从而对目标产物具有更好的选择性，而且还可以使涉及C-C偶联的C1分子发生新的转化，特别是热力学上有限的反应。借助光能或电能，惰性CO₂和CH₄分子可以有效地活化为反应性中间体，以进行后续的C-C偶联，从而在温和条件下选择性提供C2+化合物。值得注意的是，近年来，CO₂的电催化转化为C₂H₄和C₂H₅OH取得了重大进展。此外，CH₃OH中的惰性C-H键可以通过光催化优先活化，而OH基团保持完整，并产生•CH₂OH自由基，使C-C与EG偶联。

参考文献：

Shunji Xie et al. Photocatalytic and electrocatalytic transformations of C1 molecules involving C−C coupling. Energy Environ. Sci., 2020.

DOI: 10.1039/D0EE01860K

https://doi.org/10.1039/D0EE01860K