【95周年專刊】綜述：離子液體中電化學還原CO2研究評述與展望

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170992

文章來源：《化工學報》2018年第69卷

第1期：69-75

離子液體中電化學還原CO2研究評述與展望

馮建朋1,2，張香平1，尚大偉1,2，高紅帥1

（1中國科學院過程工程研究所，北京 100190；2中國科學院大學，北京 100049）

摘要

近百年來，伴隨著礦石燃料的大量消耗，CO2的排放量劇增，引發了全球性的生態環境和社會問題。CO2同時也是廉價且可再生的碳資源，可作為生產醇、醚、酸、酯等重要化工品的原料。在眾多吸引力十足的CO2利用路線中，作為清潔、可控的反應過程，電化學還原固定CO2技術在溫和條件下生產化學品方面具有獨特的優勢。離子液體以其特有的性質被廣泛用於電化學還原CO2過程，本文對目前國內外離子液體介質中電化學還原CO2的研究現狀進行了綜述，介紹了離子液體介質中電化學還原CO2的主要反應及基本原理；針對離子液體對CO2高效活化和轉化等關鍵科學問題進行深入探討，提出新型功能化離子液體的應用將成為CO2電化學還原領域的發展方向和熱點。

引言

CO2是碳及含碳有機物燃燒的最終產物，作為主要的溫室氣體，近年來隨著排放量的逐漸增大而帶來了嚴重的環境和社會問題，CO2的減排已成為國際社會的廣泛共識。同時，CO2也是最廉價、儲量豐富且可再生的碳資源，其中回收利用的CO2主要用於油田采油、制冷及碳酸飲料添加等，用於化學品生產的僅有40%左右。對於CO2的化學利用，尤其是將其還原轉化為液體燃料及其他化學品具有極大的應用潛力，並有望形成完善的CO2轉化利用的產業鏈。

CO2的化學催化還原主要面臨兩個難題，一是如何獲得化學轉化CO2所需要的能源而不帶來額外的碳排放；目前，世界能源結構仍然以化石能源為主，但是大量的分布式能量（太陽能、風能、潮汐、地熱等）並沒有得到充分利用。全球範圍內在光電轉化、風能發電、熱電轉化等領域已經取得了很大的進展和突破，未來將會為CO2轉化利用提供清潔的能源及氫源。二是如何高效活化熱力學穩定、動力學惰性的CO2分子。CO2是非極性、對稱的直線形分子結構，其中C原子與兩個O原子生成了兩個3中心4電子離域的大π鍵，其結構決定了CO2是強電子受體、弱電子供體。因此，可以將CO2作為氧化劑奪取其他分子的電子或者為其輸入電子使惰性的CO2分子活化。目前，活化CO2分子所需的能量主要來源於高溫或其他活潑原料的化學能，如熱法CO2加氫還原、CO2甲烷重整反應等。傳統的熱法催化還原CO2往往需採用高溫、高壓和催化劑，從經濟和能源角度考慮，在溫和反應條件下採用電化學方法還原CO2具有更大的發展潛力和應用前景。無機鹽水溶液中金屬電極（如Hg、Pb、Pt、Au等）上的CO2電化學還原已有許多報導。

近年來，作為一種由陰陽離子組成、酸鹼可調、結構可設計的新型介質和材料，離子液體在CO2溫和轉化反應，尤其是CO2電化學還原中表現出了較高的催化反應活性。究其機理，一方面是由於離子液體對CO2較強的溶解能力，可有效提高反應相中CO2分子濃度，進而提高平衡轉化率；另一方面是源於離子液體與CO2間較強的氫鍵、靜電及適中的化學作用，導致CO2雙鍵被部分活化，鍵角和鍵能發生顯著變化。因此，離子液體中CO2活化和轉化成為最受國際關注的研究前沿和熱點。

結語

作為一個電場下的氣-液-固三相複雜反應，制約CO2電化學反應的主要因素是：反應物傳質效果差、CO2第1步還原過程電位過低、反應轉化率和還原產物選擇性差等，因此，離子液體介質中CO2電化學還原的研究將更多集中在以下3個方面。

（1）離子液體介質中CO2電化學還原的反應機理研究。結合量子化學計算和分子模擬以及原位表征技術，深入認識離子液體的物理（黏度、電導率等）和化學（酸鹼性、穩定性等）性質對CO2電化學還原的影響規律；探究離子液體參與下的質子-電子的傳輸和轉移過程的微觀機理，以明確CO2電化學還原過程中界面結構-傳遞的耦合機制。

（2）高溶解性且具高效活化CO2的功能化離子液體的設計。為克服CO2電化學反應過程中傳質效果差的問題，設計合成低黏、高吸收量且穩定性較好的功能化離子液體，同時能有效活化惰性的CO2分子，做到低過電位、高電流密度的還原，做到高效低能耗的CO2還原。

（3）復合電極材料的制備和改性優化。結合CO2吸收能力高的離子液體和析氫電位高的金屬電極材料，制備出結構合理的復合電極材料，為CO2的電催化反應提供良好的三相接觸界面和反應場所，增強高附加值還原產物生成的電流密度和選擇性。

可以預見，功能化、低毒、原料易得且易於制備的離子液體在CO2電化學還原利用方面具有廣闊的應用前景。基於離子液體的CO2固定-轉化技術在可以預見的未來能夠轉化成生產力，做到從CO2原料到終端化學品的全產業鏈構建，推動綠色化學化工以及可持續發展的進程，改變大陸長期以來在CO2問題上的被動局面。

1 CO2電化學還原主要反應過程

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