Grundlegende Aspekte der Kohlendioxid-Elektroreduktionsreaktion, behandelt durch Schwingungsspektroskopie

Wissenschaftler hoffen, dass der durch erneuerbare Energien erzeugte Strom verwendet werden kann, um CO2 in wertvolle Brennstoffe umzuwandeln, und die in diesen Chemikalien gespeicherte Energie durch Brennstoffzellen oder andere Technologien als Strom freigesetzt werden kann. Eine solche Praxis kann nicht nur die Speicherung erneuerbarer Energie realisieren, sondern auch den anthropogenen CO2-Ausstoß mindern.

Beträchtliche Anstrengungen wurden der CO2RR gewidmet, und es wurden große Fortschritte bei Katalysatoren, Reaktionsmechanismen und Reaktionsvorrichtungen erzielt. Strategien zur Verbesserung der Produktselektivität und der Gesamtreaktionsaktivität, wie z. B. die Konstruktion von Korngrenzen, die Kontrolle von Kristallflächen, die Bildung ungesättigter Koordinationsstellen oder Legierungen, die Dotierung von Übergangsmetallen mit nichtmetallischen Elementen und die Oberflächenmodifikation, wurden ausgiebig erforscht.

Eine große Anzahl von Arbeiten konzentrierte sich auf die Aufklärung der Struktur-Leistungs-Beziehung zwischen verschiedenen kristallographischen Ebenen und der elektrokatalytischen Aktivität und Selektivität. Die Auswirkungen verschiedener Elektrodenpotentiale, Elektrolyte und Lösungs-pH-Werte auf die Leistung von CO2RR wurden ebenfalls untersucht. Die Schlüsselintermediate wie *CHO oder *OCCO für die Bildung der C1- und C2-Produkte wurden durch Experimente und theoretische Berechnungen abgeleitet.

Darüber hinaus wurden Durchflusszellen- und Membranelektroden-Montagesysteme entwickelt, um die Stromdichte von CO2RR zu verbessern und die praktische Anwendung dieses Prozesses zu beschleunigen.

Trotz des enormen Arbeitsaufwands zu CO2RR bleiben der Reaktionsmechanismus sowie die strukturellen Auswirkungen von Katalysatoren und Elektrolyten schwer fassbar. Diese Herausforderungen entstehen zum Teil, weil die Reaktion komplex ist und mehrere Elektronen- und Protonentransferschritte umfasst, und zum Teil aus der dynamischen Änderung der Grenzflächenstruktur sowohl auf der Lösungs- als auch auf der Katalysatoroberflächenseite.

Um diese Herausforderungen anzugehen, wurden In-situ-Charakterisierungsmethoden eingesetzt, die in der Lage sind, die Entwicklung von Katalysatorstrukturen während des Reaktionsprozesses in Echtzeit zu überwachen, aktive Zentren des Katalysators zu identifizieren, die Mikroumgebung der Reaktion zu untersuchen und wichtige Reaktionszwischenprodukte zu erfassen.

Unter diesen hat die In-situ-Schwingungsspektroskopie eine hohe Empfindlichkeit und Grenzflächenselektivität und kann die Rekonstruktion der Katalysatorstruktur und die dynamische Entwicklung adsorbierter Spezies während der CO2-Reduktionsreaktion überwachen, was wichtige Informationen zur Klärung des Reaktionsmechanismus und der Reaktionswege von CO2RR liefert in der Literatur nachgewiesen.

Obwohl in den letzten zehn Jahren viele Übersichtsartikel zu CO2RR erschienen sind, konzentrierten sich nur wenige auf die grundlegende Problemlösung und die gezielte Anwendung von schwingungsspektroskopischen Ansätzen in situ.

Angesichts der kritischen Informationen, die aus diesen Methoden für das grundlegende Verständnis von CO2RR gewonnen wurden, könnte eine Übersicht zu diesem Thema unter der Leitung von Prof. Wen-Bin Cai von der Fudan University und Prof. Shou-Zhong Zou von der American University die weitere Anwendung und Weiterentwicklung der Verwendung von in anregen situ-Schwingungsspektroskopische Methoden in CO2RR-Studien.

Der Übersichtsartikel fasst repräsentative Ergebnisse aus schwingungsspektroskopischen In-situ-Studien zu wichtigen grundlegenden Fragen der CO2RR zusammen, darunter (1) die Reaktionswege und Zwischenprodukte; (2) die Rolle von adsorbiertem CO; (3) die Wirkungen der Katalysatorstruktur und (4) die Wirkungen des Elektrolyten. Am Ende wird ein kurzer Ausblick auf die zukünftigen Richtungen für die spektroskopische In-situ-Untersuchung von CO2RR gegeben. Diese Rezension ist veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.