Advances in Electrochemical CO 2 Reduction: A Review and Perspective on Structure–Performance Relationships

纳米技术 催化作用 电化学 电解 格式化 密度泛函理论 化学 合理设计 生化工程 碳纤维 电子转移 材料科学 桥接(联网) 化学反应工程 工作(物理) 二氧化碳电化学还原 串联 组合化学 温室气体
作者
Jyotiraditya Sikder,Jithul KP,Jay Pandey
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:40 (15): 7805-7838
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.5c06231
摘要

Electrochemical CO2 reduction (eCO2RR) offers a promising pathway to convert greenhouse gas emissions into value-added fuels and chemicals, supporting climate mitigation and a circular carbon economy. This review critically examines recent advances in catalyst design and electrolyzer engineering, with an emphasis on structure–mechanism–performance relationships governing activity, selectivity, and stability. Silver and gold catalysts enable near-unity CO selectivity; bismuth- and tin-based systems favor formate via stabilized *OCHO intermediates, while copper uniquely facilitates C–C coupling toward multicarbon hydrocarbons and alcohols through *CO adsorption, dimerization, and proton-coupled electron transfer pathways. Density functional theory (DFT) studies, including Gibbs free energy analyses and charge-transfer insights, are integrated to elucidate the reaction mechanisms, facet effects, defect chemistry, and tandem catalysis. Beyond intrinsic catalyst properties, the review highlights the critical roles of local reaction microenvironments, membrane catalyst interfaces, ion transport, and reactor architectures in achieving industrially relevant current densities and durability. Emerging high-throughput DFT and machine-learning-assisted screening strategies are discussed as accelerators for rational catalyst discovery. This work provides a mechanistically grounded roadmap bridging atomic-scale catalyst design with system-level performance, outlining key challenges and opportunities for scalable, energy-efficient electrochemical CO2 conversion.
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