多组分催化剂为绿色化学和绿色碳科学铺平道路

化学工业在社会发展中发挥了重要作用，但其对环境的影响也日益受到关注。绿色化学和化学工程通过将可再生原料转化为环保化学品，为可持续发展开辟了可能性。然而，CO 2 和N 2等分子中的惰性键 对其活化和转化提出了挑战。

电化学转化提供了一种有前途的碳中和途径，可以在环境条件下通过与化学品和燃料形成惰性键来升级绿色化学源。多组分电催化剂与单组分催化剂相比具有优势，例如更好的稳定性、更高的活性和扩大的反应过程。多组分电催化剂为化工业可持续发展的挑战提供了一个有前途的解决方案。一组研究人员于 2023 年 1 月发表了关于工业化学与材料的评论 。

“化学工业在社会的历史演变中发挥了至关重要的作用，但它也带来了新的环境问题和猛增的 CO 2 排放量，”通讯作者、中国科学院院士、化学研究所教授韩步兴说，中国科学院(ICCAS)。“我们积极探索绿色化学和化学工程将可再生原料(例如 CO 2 和 NO x)转化为环保化学品(包括合成气、碳氢化合物、含氧化合物和氨)的可能性。”

“然而，这些惰性键，例如 CO 2中的 C=O 键，对其活化和转化提出了挑战。我们希望探索电化学转化作为一种​​通用的碳中性途径，以有效地将具有惰性键的绿色化学源升级为化学品以及在环境条件下利用清洁能源的燃料，”ICCAS 的共同通讯作者 Xiaofu Sun 教授说。“多组分电催化剂在稳定性、活性和反应过程方面优于单组分催化剂。因此，我们探索了多组分催化剂在 CO 2、N 2和 NO x等小分子电还原中的应用. 我们为多组分催化剂开发了三种模型：I 型、II 型和 III 型，我们在论文中对此进行了讨论。”

I 型涉及一种非催化活性成分，它可以激活或保护另一种催化成分。II 型涉及为电化学转化提供活性中间体的所有催化组分。类型 III 涉及一种成分通过转化或吸附为另一种成分提供底物。

“根据具体的反应和催化剂，这些模型中的每一个都有自己的优点和缺点。我们在论文中探索了这些模型的使用，以显示它们在小分子电还原中的有效性，”Han 说。“我们还讨论了通过惰性键的高效活化和转化，将多组分电催化剂应用于可再生化学资源的工业利用的未来方向。”

在可再生化学资源的活化和转化中开发和利用多组分电催化剂需要解决哪些关键挑战?“一个关键的挑战是提高电催化剂的选择性和效率，以及提高它们的稳定性和活性，”Sun 说。“另一个挑战是了解电还原反应的基本机制以及它们如何受到多组分催化剂的影响。”

“更重要的是，需要进一步研究和开发，以扩大这些电化学过程并将其整合到工业应用中。我们实验室正在进行许多有前途的研究项目。” 韩说。