<span class="js_title_inner">2025年電催化合成科技熱點(diǎn)回眸

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第1 期 《 2025年電催化合成科技熱點(diǎn)回眸 》

在全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的背景下，電催化合成技術(shù)利用可再生電能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，為溫和條件下直接合成化學(xué)品提供了極具前景的路徑。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)重慶大學(xué)王鑫智、李存璞、魏子棟撰文，文章綜述了電催化合成領(lǐng)域的重要進(jìn)展，電催化合成技術(shù)的協(xié)同發(fā)展為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了堅(jiān)實(shí)支撐，并為后續(xù)電催化合成的研究方向提供相應(yīng)參考。

在“雙碳”目標(biāo)與全球能源轉(zhuǎn)型的雙重驅(qū)動(dòng)下，化學(xué)工業(yè)亟待突破對(duì)化石原料與高能耗過程的依賴，邁向低碳化生產(chǎn)。電催化合成技術(shù)依托可再生電能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，可在常溫常壓下直接轉(zhuǎn)化反應(yīng)物分子，兼具原子經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)與碳減排潛力，被視為協(xié)同應(yīng)對(duì)能源轉(zhuǎn)換與綠色化工挑戰(zhàn)的重要路徑。

隨著該領(lǐng)域研究逐漸從局部催化劑優(yōu)化轉(zhuǎn)向整體系統(tǒng)構(gòu)建，學(xué)界關(guān)注點(diǎn)日益聚焦于真實(shí)反應(yīng)條件下的界面動(dòng)態(tài)行為、微環(huán)境調(diào)控及電解裝置工程化等系統(tǒng)性議題，并積極推動(dòng)電合成向集成化、實(shí)用化方向邁進(jìn)。電催化合成技術(shù)有望通過基礎(chǔ)研究與工程創(chuàng)新的協(xié)同突破，重塑化學(xué)工業(yè)的底層邏輯，為實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)的物質(zhì)制造體系提供決定性支撐。

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無機(jī)分子電催化的機(jī)制深化與體系創(chuàng)新

近年來，無機(jī)分子電催化領(lǐng)域的研究取得了重要進(jìn)展。其顯著變化在于研究重心已從以往孤立地探究催化劑的本征活性，全面轉(zhuǎn)向?qū)Α按呋瘎?界面?系統(tǒng)”多尺度耦合的深入理解與協(xié)同調(diào)控。這一轉(zhuǎn)變標(biāo)志著該領(lǐng)域的研究正向更復(fù)雜、更貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的方向系統(tǒng)演進(jìn)。

1.1 電催化CO2還原

電催化CO2還原（CO2RR）技術(shù)將溫室氣體轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一。其核心是利用可再生電能（如太陽能、風(fēng)能）驅(qū)動(dòng)CO2分子在催化劑表面發(fā)生還原反應(yīng)。

近期，研究者將研究重點(diǎn)聚焦于界面微環(huán)境的定量調(diào)控。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Chang等通過在銅（Cu）表面共價(jià)生長(zhǎng)一層功能化的苯基團(tuán)，探索其對(duì)CO2RR性能的影響。通過假設(shè)這種表面修飾能夠改變界面水結(jié)構(gòu)，從而影響質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移（PCET）過程，如圖1所示，進(jìn)而提高C2+產(chǎn)物的生成效率。

重慶大學(xué)魏子棟團(tuán)隊(duì)利用錫基材料控制電還原過程中對(duì)產(chǎn)物甲酸的定向選擇，提出一種調(diào)控決速步驟的思路，通過不同電負(fù)性和原子半徑的S、Se和Te來調(diào)控電化學(xué)還原過程中的界面吸附強(qiáng)度和Sn—Sn原子間距，從而獲得一種平衡吸附的策略，最終提升了CO2還原到甲酸的選擇性。

圖1 界面微環(huán)境調(diào)控CO2RR還原CH4示意

此外，通過對(duì)電子結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，也可有效提升目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率與法拉第效率。重慶大學(xué)李存璞團(tuán)隊(duì)通過精細(xì)調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵中間體*OCHO在Sb表面的對(duì)稱吸附成功轉(zhuǎn)變?yōu)樵赥e摻雜Sb電極上的非對(duì)稱吸附。在該非對(duì)稱吸附過程中，會(huì)形成一種高極性物質(zhì)O=CH—Ounsy·，該物質(zhì)能夠輕易進(jìn)行電子注入和氫化反應(yīng)，從而完成還原過程，如圖2所示。

圖2 CO2RR反應(yīng)工藝過程示意

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化所需的電流密度（>200 mA/cm2），研究者的重心已從H型電解池迅速轉(zhuǎn)移至膜電極組件和流動(dòng)電解槽的設(shè)計(jì)。南京大學(xué)李朝升教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種原位電聚合方法，提出酞菁鈷在氣體擴(kuò)散電極上的直接共價(jià)接枝的方法。

該方法以聚吡咯為連接橋梁，通過電聚合過程中引發(fā)的C—C偶聯(lián)反應(yīng)，將催化劑穩(wěn)固錨定在電極界面，如圖3所示。該策略不僅保障了催化位點(diǎn)的牢固負(fù)載與均勻分散，而且無需復(fù)雜的分子修飾或電極預(yù)處理，有效維持了電極的疏水特性，有利于CO2的高效傳輸。

圖3 催化劑與氣體擴(kuò)散電極原位共價(jià)接枝

除了調(diào)控微環(huán)境和改善電極組件/電解槽來提高CO2RR性能之外，直接從空氣中捕獲的稀薄CO2或工業(yè)尾氣中的雜質(zhì)耐受性研究也成為研究熱點(diǎn)。蘇州科技大學(xué)楊鴻斌團(tuán)隊(duì)研究了一類基于原子級(jí)相鄰鎳（Ni）和磷（P）位點(diǎn)的集成催化對(duì)（ICPs），其能夠協(xié)同活化CO2和H2O，并在貧CO2條件下實(shí)現(xiàn)高選擇性CO生產(chǎn)。

1.2 電催化氮還原

電催化氮還原（NRR）反應(yīng)由于其反應(yīng)溫和，可直接耦合可再生能源，成為合成氨的一種新技術(shù)。其核心原理是利用可再生電能（如太陽能、風(fēng)能），在常溫常壓的電解質(zhì)溶液中，驅(qū)動(dòng)氮?dú)猓∟2）和質(zhì)子源（如H2O）在催化劑表面發(fā)生還原反應(yīng)，直接合成氨。目前NRR研究主要集中在單原子催化（SACs）（如Fe、Mn、Ru、Cu、Au等），其在N2吸附和活化方面已有顯著進(jìn)展，但仍受限于對(duì)稱電子分布和中間體吸附能之間的線性關(guān)系。

南京大學(xué)夏興華團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種嵌入氮摻雜碳（NC）基質(zhì)中的異核金屬?金屬鍵合雙原子（DA）Mn?Cu催化位點(diǎn)的合成，如圖4所示，局域在雙原子位點(diǎn)上的不對(duì)稱電子分布協(xié)同增強(qiáng)了N2的吸附與活化，促進(jìn)了復(fù)雜的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程。

圖4 雙原子催化位點(diǎn)氮還原示意

目前較為成功的常溫條件下電化學(xué)合成氨途徑是基于非水相鋰介導(dǎo)氮還原反應(yīng)（Li?NRR），該反應(yīng)最早于20世紀(jì)90年代由Tsuneto等開展研究，鋰介導(dǎo)N2電化學(xué)還原被認(rèn)為是最具前景的常溫常壓“綠色”合成氨路徑之一，可實(shí)現(xiàn)>95%的法拉第效率。

代爾夫特理工大學(xué)Kortlever團(tuán)隊(duì)報(bào)道并首次在高壓（2 MPa N2）Li?NRR體系中，引入并驗(yàn)證了一種基于部分脫鋰的LixFePO4（LFP）的穩(wěn)定參比電極，如圖5所示。解決了傳統(tǒng)準(zhǔn)參比電極電位漂移的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作電極電位的精確控制與測(cè)量。

圖5 Li?NRR反應(yīng)示意

由于硝酸根離子在水中溶解度較高，且N=O鍵能（204 kJ/mol）較低，因此電催化硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）的法拉第效率與氨產(chǎn)率通常顯著高于氮?dú)膺€原反應(yīng)，此外，該方法還能以富含硝酸鹽的廢水為原料，兼具環(huán)境修復(fù)價(jià)值。天津大學(xué)朱勝利團(tuán)隊(duì)提出在Pt/np?Co2P催化劑上實(shí)現(xiàn)的氫溢流途徑，氫氣溢流機(jī)制如圖6所示。這是一種在寬電位范圍內(nèi)有效調(diào)控活性氫可用性并提升NO3RR性能的策略。

圖6 氫氣溢流機(jī)制示意

1.3 電解水制氫

電化學(xué)水分解制氫技術(shù)因其高效、清潔的特點(diǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模生產(chǎn)的重要途徑之一。然而，該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的問題之一便是高效、穩(wěn)定電催化劑的開發(fā)。在電化學(xué)水分解過程中，氫氣析出反應(yīng)（HER）和氧氣析出反應(yīng)（OER）是2個(gè)關(guān)鍵步驟。基于此，研究人員在深入理解催化劑在電化學(xué)反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)演變機(jī)制中，致力于開發(fā)出高穩(wěn)定、高性能的電催化劑。

香港城市大學(xué)張文軍課題組報(bào)道了一種具有超長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、高性能催化劑，通過對(duì)Co2Mo3O8預(yù)催化劑進(jìn)行電位依賴性重建，得到了電化學(xué)穩(wěn)定的Co（OH）2@Co2Mo3O8 催化劑，額外的Mo以MoO42?的形式溶解到電解質(zhì)中。此外，該催化劑能在約100 mA/cm2下保持穩(wěn)定超過1個(gè)月，具有較高的工業(yè)適用性。這為設(shè)計(jì)高性能、穩(wěn)定的電催化劑提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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有機(jī)分子電合成的機(jī)制創(chuàng)新

在過去幾年中，有機(jī)電合成領(lǐng)域的研究實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)電解工藝優(yōu)化向反應(yīng)機(jī)制創(chuàng)新的關(guān)鍵跨越。

2.1 芳基鹵化物電合成

2025年研究的重大進(jìn)展在于，將電化學(xué)從單純的“電源”角色，提升為能夠主動(dòng)調(diào)控反應(yīng)路徑的“智能反應(yīng)元件”。在有機(jī)反應(yīng)中，控制反應(yīng)的取代程度（如單取代或雙取代）通常需要使用不同的試劑、反應(yīng)條件和溫度，這往往導(dǎo)致分離成本增加。簡(jiǎn)化這種復(fù)雜性，同時(shí)開發(fā)更直接、高效的方法來控制反應(yīng)結(jié)果，一直是有機(jī)化學(xué)中的一個(gè)挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于芳基鹵化物的合成，但這種方法往往缺乏選擇性，導(dǎo)致多鹵代產(chǎn)物的復(fù)雜混合。

基于此，重慶大學(xué)李存璞團(tuán)隊(duì)研究催化劑Bu4NBr在精準(zhǔn)的電極電位調(diào)控下選擇性地鹵化芳胺衍生物，如圖7所示。這種方法無需使用氧化劑、過渡金屬或外部堿，利用電極激活的獨(dú)特能力提高底物的反應(yīng)活性和反應(yīng)效率。

圖7 苯胺衍生物的鹵化

2.2 氨基酸電合成

氨基酸作為蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)組成單元和人體代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，在食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。電催化碳氮偶聯(lián)作為一種多功能新興策略，已成功實(shí)現(xiàn)尿素、酰胺、胺類及肟等化合物的電合成。這種電合成方法具有操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和、底物適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì)，為氨基酸合成提供了極具潛力的解決方案。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所韓布興課題組提出通過質(zhì)子調(diào)控策略來提高氨基酸電合成選擇性與生產(chǎn)速率的方法。在原位電還原/結(jié)構(gòu)重構(gòu)的納米枝狀鉍催化劑上，通過α?酮酸與含氮源（如硝酸鹽）的C—N耦合制備氨基酸，如圖8所示。基于此質(zhì)子調(diào)控機(jī)制，通過優(yōu)化各步驟反應(yīng)電位設(shè)計(jì)了順序還原策略，實(shí)現(xiàn)了甘氨酸電合成性能的突破。

圖8 甘氨酸電化學(xué)合成示意

2.3 塑料廢棄物電催化升級(jí)回收

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為全球產(chǎn)量第4大的熱塑性聚合物，PET的高化學(xué)穩(wěn)定性也導(dǎo)致其在自然環(huán)境中極難降解，其生命周期估計(jì)超過450 a。傳統(tǒng)的PET回收方法主要包括機(jī)械回收、熱回收與化學(xué)回收。

近年來，電催化升級(jí)回收技術(shù)因其反應(yīng)條件溫和、過程可控、可與可再生能源耦合等優(yōu)勢(shì)，成為塑料廢棄物高值化利用的前沿方向。通過電化學(xué)氧化PET水解產(chǎn)物（如對(duì)苯二甲酸和乙二醇），可同步制備甲酸、甲酸鹽、乙二醇酸等高附加值化學(xué)品，并與陰極反應(yīng)（如產(chǎn)氫、CO2還原、硝酸鹽還原）耦合（如圖9所示），構(gòu)建能量與物質(zhì)協(xié)同轉(zhuǎn)化體系。

圖9 將PET塑料廢棄物化學(xué)催化升級(jí)回收轉(zhuǎn)化為材料、燃料及化學(xué)品示意

中南大學(xué)林璋課題組以（M = Mn，F(xiàn)e，Co，Cu，Ni）為模型催化劑，研究發(fā)現(xiàn)晶格氧活性是調(diào)控廢棄聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯電化學(xué)升級(jí)的關(guān)鍵因素。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)研究進(jìn)一步演示了真實(shí)廢棄PET的直接電催化升級(jí)回收，估算每噸回收PET可獲利739美元，證明了其經(jīng)濟(jì)可行性。

2.4 生物質(zhì)分子電催化升級(jí)

將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，對(duì)于可再生碳資源增值具有重要意義。近期的進(jìn)展在于開發(fā)低成本、高活性的非貴金屬催化劑，利用廣泛存在且具備可再生特性的生物質(zhì)資源作為原料，合成高附加值化學(xué)品，正展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。FDCA作為一種核心的生物基平臺(tái)化合物，有望取代石油基單體對(duì)苯二甲酸合成可降解聚酯等材料。電催化氧化HMF是制備FDCA的一種重要途徑，開發(fā)高效的電催化材料非常必要。

華中科技大學(xué)王得麗團(tuán)隊(duì)通過制備苯甲酸配體雜化的 BZ?NiCo（OH）x納米線催化劑。苯甲酸配體具有很強(qiáng)的吸電子能力，可促進(jìn)晶格羥基的活化，從而在納米線表面產(chǎn)生大量的高價(jià)Ni3+/Co3+活性位點(diǎn)。

3

結(jié)論

近年來，電催化合成領(lǐng)域在基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用層面均取得了系統(tǒng)性進(jìn)展，研究范式呈現(xiàn)出從“局部?jī)?yōu)化”向“全局協(xié)同”的深刻轉(zhuǎn)變。

• 在無機(jī)分子轉(zhuǎn)化方面，研究焦點(diǎn)已超越對(duì)催化劑本征活性的孤立探索，深入至對(duì)“催化劑?界面?微環(huán)境?系統(tǒng)”多尺度耦合機(jī)制的解析與調(diào)控。

• 在有機(jī)電合成方面，研究實(shí)現(xiàn)了從工藝優(yōu)化到機(jī)制創(chuàng)新的跨越，通過精準(zhǔn)調(diào)控電子轉(zhuǎn)移路徑，實(shí)現(xiàn)了芳基鹵化物的電位依賴性選擇性合成、氨基酸的綠色電合成，并成功將廢棄PET塑料和生物質(zhì)分子高效轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，展現(xiàn)了電化學(xué)在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)合成與資源循環(huán)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

此外，電化學(xué)合成技術(shù)將持續(xù)拓展。

• 在科學(xué)認(rèn)知層面，研究將從靜態(tài)表征走向動(dòng)態(tài)追蹤與實(shí)時(shí)調(diào)控。利用原位表征技術(shù)，深刻揭示催化活性位點(diǎn)在真實(shí)電勢(shì)、特定微環(huán)境及反應(yīng)物傳質(zhì)過程中的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

• 在跨學(xué)科融合方面，電催化合成將進(jìn)一步突破傳統(tǒng)反應(yīng)邊界。一方面，與生物催化、熱催化等過程相結(jié)合，發(fā)展“電?生物”或“電?熱”級(jí)聯(lián)催化策略，實(shí)現(xiàn)難以通過單一途徑獲得的高值化學(xué)品合成；另一方面，其應(yīng)用場(chǎng)景將從單純的小分子轉(zhuǎn)化延伸至復(fù)雜原料的升級(jí)再造，構(gòu)建以可再生碳資源為起點(diǎn)的“電合成?循環(huán)”的新路線，真正實(shí)現(xiàn)從分子到產(chǎn)品的全鏈條碳減排。

通過以上路徑的持續(xù)推進(jìn)，基礎(chǔ)科學(xué)的不斷突破與工程技術(shù)的迭代創(chuàng)新，電催化合成有望重塑化學(xué)工業(yè)的底層邏輯，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)與綠色化學(xué)制造提供核心科技支撐。

本文作者：王鑫智、李存璞、魏子棟

作者簡(jiǎn)介：王鑫智，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，博士研究生，研究方向?yàn)橛袡C(jī)電化學(xué)合成；李存璞（通信作者），重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、重慶大學(xué)鋰電及新材料遂寧研究院，教授，研究方向?yàn)殇嚱饘倭螂姵睾陀袡C(jī)電化學(xué)合成；魏子棟（共同通信作者），重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、重慶大學(xué)鋰電及新材料遂寧研究院，教授，研究方向?yàn)樾履茉床牧匣瘜W(xué)與化工。

文章來 源 ： 王鑫智, 李存璞, 魏子棟. 2025年電催化合成科技熱點(diǎn)回眸[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(1): 34?42 .

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