Rational Design of Catalytically Active Sites in Metal-Free Carbon Materials for Electrocatalytic CO2 Reduction: A Review

合理设计 还原(数学) 碳纤维 电催化剂 活性炭 催化作用 金属 化学 材料科学 化学工程 纳米技术 电极 有机化学 废物管理 电化学 工程类 复合数 复合材料 几何学 数学 物理化学
作者
Shaoqin Chen,Yun Hang Hu
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:39 (16): 7649-7664 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.5c00352
摘要

Electrocatalytic conversion of carbon dioxide (CO2) into value-added chemicals is a promising avenue for reducing greenhouse gas emissions while storing renewable energy in its chemical form. Metal-free carbon-based materials have attracted growing interest as electrocatalysts for CO2 reduction due to their abundance, low cost, stability, and tunable electronic structures. However, pristine carbon materials, such as graphene, lack catalytic activity due to the weak physisorption of CO2, necessitating the creation of active sites to boost electrocatalytic performance. In this review, we highlight recent advances in tailoring carbon frameworks through two key strategies to enhance the performance of electrocatalytic CO2 reduction. The first strategy, heteroatom doping─including nitrogen, phosphorus, boron, and fluorine─creates localized electronic states that direct reaction pathways toward specific products. The second strategy involves engineering defects, such as vacancies or pentagonal/octagonal ring structures, which significantly boost local electron density and adsorbate binding affinity, thereby lowering CO2 activation barriers. By creating these active sites, the electrocatalytic performance of carbon materials can be enhanced by over 2 orders of magnitude compared with inert carbon. Additionally, mechanistic insights from both experimental and computational studies are discussed, illustrating how electronic reconfiguration, spin density, and local coordination environments govern catalytic activity and selectivity. Finally, we outline challenges and future research directions for achieving sustainable CO2 electroreduction.
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