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2025 年發表于《The Chemical Record》的文獻《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》，對電催化技術的前景及其在實現電子化學未來中的作用進行了深入探討。
《Electrocatalysis: Prospects and Role to Enable an E-Chemistry Future》這篇文獻圍繞電催化研究現狀、新興方向、電催化到光電催化的轉變、串聯/配對電催化反應、電催化介導合成等多個方面展開分析，既闡述了電催化在 CO?還原、氮氣固定等新興方向的潛力，也指出了其在成本、技術及研究局限等方面面臨的挑戰，旨在為推動電催化技術的發展、加速低碳化學生產模式的實現提供思路與參考。
電催化的新興方向主要集中在以下幾個關鍵領域：1. CO?還原反應（CO?RR），旨在將二氧化碳轉化為有價值的化學品，這對于碳循環和減少溫室氣體排放具有重要意義；2. 氮氣固定（N?還原），即通過電催化將氮氣轉化為氨等含氮化合物，為綠色肥料生產等提供新途徑；3. 生物質衍生化學品的電催化轉化，可將生物質中的成分轉化為大宗化學品，有助于減少對化石資源的依賴；4. 電催化生產過氧化氫（H?O?），過氧化氫作為一種清潔氧化劑，在多個工業領域有重要應用，該方向具有較高的工業潛力。
電催化發展面臨著多方面的挑戰：1. 科學與技術挑戰，包括反應的可擴展性問題，如如何實現電極尺寸的擴大和實際操作條件的優化，以及部分反應（如 CO?RR、NRR）的性能尚未達到工業應用要求；2. 成本問題，與電催化技術相關的固定成本和運營成本仍然過高，需要通過改進電催化劑 / 電極設計、優化操作條件等降低成本；3. 研究局限，當前研究多集中在電催化劑的機理和設計方面，對系統工程的關注不足，且缺乏對不同反應協同利用等方面的深入探索，同時在理論方法上，尚未形成統一的電化學和電催化理論來指導新型電催化劑的設計。
從電催化到光電催化是推動能源與化學品生產向可持續、循環和有韌性未來轉型的重要方向，其核心在于整合直接利用太陽光的能力，開發光電催化（PEC）器件。PEC 器件主要有兩種類型：一種是光活性單元集成到陽極部分（PECa），其中光活性功能通常集成在陽極，雖存在使陽極和陰極都具備光活性的可能性，但實際實現面臨諸多困難；另一種是光活性單元作為光伏單元（PV/EC）外部存在并最終集成到電池中，其配置基于獨立的光伏電池驅動電催化單元。PECa 緊湊型電池設計中，陰極和陽極直接位于膜的兩側，可減少傳輸限制以提升性能，還能使用氣體擴散電極消除電解質并實現零間隙電池。
與電催化器件相比，PEC 系統的電流密度與光活性元件提供的電流密度、電池電阻及光組件和電組件的耦合相關，工業感興趣的電催化過程典型電流密度高于 500 mA/cm2，而 PEC 器件的電流密度要低一個數量級以上。此外，電催化器件可連續運行，PEC 器件則需在有陽光時運行，這要求其設計需從低成本制造以適應不連續運行的角度出發，而非傳統的太陽能到化學的轉換效率考量。在有效性和機理方面，PEC 與電催化方法本質相同，但 PEC 在電勢和電流密度上存在限制，電催化器件電流密度可達 1 A/cm2，PEC 器件則通常低兩個數量級。同時，分散式生產模式下，PEC 生產單元需盡可能減少下游操作，以與生產單元的生產率、壓力等相兼容，但目前文獻對這些方面關注較少，PEC 器件也多作為獨立元素研究，缺乏在價值鏈中的集成考量。
串聯 / 配對電催化反應在生物基過程領域展現出巨大潛力，其核心優勢在于能夠實現過程 intensification 并開發低碳工藝，同時可利用可再生能源，還能通過原位生成 redox 反應物（如氫當量、活性氧物種）避免還原劑或氧化劑的生產成本。不過，盡管該技術已被認知多年，目前仍無商業應用實例，主要面臨諸多需克服的困難：一是需識別合適的電催化劑，這類催化劑需在高電流密度下兼具高法拉第選擇性和高穩定性，以應對電極污染或浸出等典型問題；二是要實現陽極和陰極反應的配對匹配，確保反應速率、電子及 H?/OH? 流動等方面的平衡。
當前研究常聚焦于單個電極側（尤其是陰極），而對兩側的協同利用關注不足。當研究聚焦陰極反應（如 CO?RR 或 HER）時，析氧反應（OER）是典型的陽極反應，但 OER 動力學緩慢且需要較高過電勢，因此人們常探索替代氧化反應，包括廢水氧化等，近期也開始關注能量上易進行且動力學快速的反應以加速過程。不過，部分替代反應（如用氫氣氧化提升氨電合成性能、用硝酸鹽替代 N? 進行氨還原）雖能改善某些性能，卻并非提升技術經濟可行性和可持續性的理想方案，研究需更多關注相關價值鏈和工業實際案例。
一些歐盟項目已圍繞串聯 / 配對電催化反應展開探索，例如 TERRA 項目探索利用電池溫度差匹配陰陽極反應，PERFORM 項目嘗試將葡萄糖氧化與加氫脫氧配對生產己二酸等。此外，將 CO?RR 與有機（生物基）化學品的電氧化（OOR）配對也是新興方向，如 5 - 羥甲基糠醛（HMF）氧化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）與 CO?RR 配對，不僅能降低過電勢，還可產出高附加值化學品。但總體而言，該領域研究仍存在諸多不足，如缺乏對全電池反應的系統研究、部分集成過程尚未得到電催化證明、下游處理成本高及相關科學基礎薄弱等，需進一步探索優化。
電催化介導合成（又稱間接電解）是一種在有機電合成中應用成熟，但在其他電催化領域尚未廣泛普及的方法。其核心原理是通過 redox 介質作為電子轉移劑實現底物的間接轉化 —— 當底物難以直接發生氧化還原反應時， redox 介質可先與電極發生電子轉移，再與底物反應，從而推動目標轉化的進行。這種方法具有多方面優勢：一是能消除電極與底物之間異質電子轉移的動力學抑制，降低反應過電勢；二是 redox 介質可展現出與直接電解不同的選擇性，甚至更高的選擇性；三是由于反應在較低電勢下進行，可減少或避免電極因高電勢導致的失活問題；四是能規避高電勢下易發生的副反應，提高產物純度。
不過，電催化介導合成也存在明顯局限，其額外成本（尤其是下游分離和 redox 介質回收環節）對大宗商品和大宗化學品的生產而言較為關鍵。在有機電合成中，高附加值化學品的利潤空間可覆蓋這些成本，但在大規模工業生產中，成本控制難度顯著增加。常用的 redox 介質因反應類型而異，陽極氧化中多采用特定的過渡金屬化合物等，陰極反應則可使用過渡金屬配合物等。總體而言，電催化介導合成作為一種潛在的高效轉化策略，仍需結合具體應用場景進一步探索優化，尤其在降低成本、提升介質循環效率等方面需突破，以拓展其在更廣泛電催化領域的應用。
電子化學愿景旨在通過電催化等技術，解決彈性發展、碳中性生產及碳循環經濟等社會挑戰，推動化學品和能源生產模式向可持續、低碳的方向轉型。
實現電子化學未來是應對社會挑戰的重要方向，其核心在于通過電催化等技術構建全新的化學品和能源生產模式。這一未來模式需達成三大目標：一是發展具有韌性的發展模型，最大限度減少對外部資源的依賴和限制；二是建立碳中和甚至碳負性的生產系統，降低環境影響；三是實現超越化石燃料的碳循環經濟。電催化作為關鍵技術，在其中扮演著推動轉型的核心角色，而如何優先整合各類電催化反應、突破現有研究局限以實現從傳統熱催化到電子化學的跨越，是需要重點探索的問題。
實現電子化學未來需要多方面的努力。在研究層面，要突破當前局限，從更廣泛的角度探索電催化的潛力，如拓寬反應范圍、加強不同反應的協同利用，同時重視系統工程的研究；在技術層面，需改進電催化反應器設計，開發先進的電催化反應器，優化操作條件以降低成本；在理論層面，要建立統一的電化學和電催化理論，為新型電催化劑的設計提供指導。此外，還需結合新興的技術和方法，如 3D 打印等加速電催化技術的規模化，推動其從實驗室研究走向工業應用，最終構建起可持續的電子化學未來。
盡管電催化研究熱度漸升，但潛力尚未充分挖掘，在技術、成本及研究方向等方面存在諸多挑戰。目前，從實驗室邁向工業應用的進程緩慢，部分源于對電催化諸多可能性認識不足。未來，需拓寬研究邊界，探索如 CO?還原、氮氣固定等新興反應的潛力，加強不同反應的協同利用；要建立新的評估模型，以準確衡量電催化在全新場景中的影響；還應通過跨領域合作，激發創造性研究，將理論成果轉化為實際生產力，推動電催化技術廣泛應用，助力構建可持續、碳循環的電子化學未來 。
期刊：The Chemical Record
通訊作者：Gabriele Centi、Siglinda Perathoner
通訊單位：University of Messina
DOI：10.1002/tcr.202400259
