在现存的几种有效的转化方法中，电化学催化还原二氧化碳由于可在常温常压下进行，并且能够实现人为的闭合碳循环，已然成为当下研究热点和重点。本文选取2020年以来发表的相关重要文献以供同行参考。
1、氮掺杂纳米金刚石/Cu界面协同增强催化CO2还原为C2含氧化合物
近日，斯坦福大学崔屹教授、朱棣文教授，北京化工大学谭天伟院士，SLAC国家加速器实验室Karen Chan教授（共同通讯作者）等人提出了一种设计原理，通过合理调整氮掺杂纳米金刚石和铜纳米颗粒的组成，创建一种高选择性的、高稳定性的催化界面将CO2还原为C2含氧化物。在仅-0.5V的工作电压下，该催化剂对C2含氧化合物的法拉第效率为~63％。此外，该催化剂在120 h内表现出前所未有的持久催化性能，具有稳定的电流和仅19%的活性衰减。密度泛函理论计算表明，CO在铜/纳米金刚石界面上的结合增强，降低了CO二聚作用的表面势垒，抑制了CO的解吸，进而促进了C2的生成。催化剂组件的固有组成和电子可调性为催化界面提供了无与伦比的控制程度，从而控制了反应动力学和动力学。
Nature Nanotech.，2020
DOI:10.1038/s41565-019-0603-y
2、碳材料上CO2电还原本质
中科院长春应用化学研究所徐维林研究员和宋平等人研究了制备了一系列不含金属的单层石墨烯纳米盘(GNDs)用于高效电催化还原反应的二氧化碳(CO2RR)生产甲酸(HCOO-)，他们含氧基团的表面含量不同，研究发现GNDs的CO2RR催化性能与表面羧基含量呈正相关。
密度泛函理论计算表明，GNDs的CO2RR的高催化活性并非来自于单独的羧基或其他含氧基团，而是来自于GNDs上羧基与邻近的其他类型含氧基团(即羟基、环氧化合物和羰基)的协同作用。
受到此启发，他们进一步发现，如果GND催化剂可以“交替工作和休息”，那么它对CO2RR的电催化活性可以通过简单的电氧化方法循环再生表面羧基而循环再生，使它对CO2RR的催化性能具有优异的长期耐久性。该工作加深了对含氧基团在催化中的作用的认识，为高性能无金属碳基催化剂的设计和合成提供了新的策略。
J Am Chem Soc, 2019.
DOI: 10.1021/jacs.9b11123
3、波浪能驱动CO2的电化学还原
香港城市大学的何志浩教授（通讯作者）等人联合佐治亚理工学院的王中林教授與沙特KAUST的Khaled Salama教授报道了弹簧辅助的球形摩擦纳米发电机捕获的波浪能驱动的CO2的电化学还原反应制备液体碳燃料。这种摩擦纳米发电机和电磁式发电机相比更具性价比。而且，它和以往的摩擦纳米发电机相比具有更高的波浪能转化效率和功率输出，能漂浮在海面上，对环境的影响最小，操作简单。他们通过优化这个波浪能驱动的CO2的电化学还原反应体系的参数，使CO2的电化学还原反应的法拉第效率接近100%，使液体燃料产量最大。实验室的表面积为0.04 m2的水上，CO2的电化学还原反应的产物甲酸的最大产量为每天2.798 μmol。红海上，风速为每小时18海里时，甲酸的产量为每天0.325 μmol。他们还对利用波浪能制备液体燃料的未来发展进行展望。
Energy Environ. Sci.，2019
DOI：10.1039/C9EE03566D
4、揭示二氧化碳电还原活性本质
中国科学院化学所分子纳米结构与纳米技术重点实验室胡劲松研究员课题组通过使用具有明确定义N-C构型的酞菁（Pc）和卟啉作为分子模型催化剂，发现CO2RR制CO优先发生在吡啶N而不是吡咯N上。通过系统实验和理论计算发现，原位生成的金属Co纳米粒子电子调制可以显著提高吡啶N的CO2RR性能。通过引入Co纳米粒子，Co@Pc/C在-0.9 V时可实现84％的法拉第效率和28mA cm-2的CO电流密度，是Pc/C催化剂的18倍和47倍。上述发现为N-Cs的CO2RR提供了新的见解，为探索低成本高效电催化剂以实现有效的CO2RR提供了一种可能。
Angew. Chem. Int. Ed. 2020
DOI:10.1002/anie.201916520
5、用于二氧化碳还原的稀土单原子催化剂
北京航空航天大学水江澜教授团队（通讯作者）与中科院高能物理研究所合作，合成了Y、Sc（Y1/NC，Sc1/NC）单原子催化剂并研究了其在环境温度和压力下催化电化学反应的性能。Sc和Y原子在较大碳缺陷上更稳定，这种活性位点结构不同于以往M-N-C（过渡金属M = Fe、Co、Mn等）催化剂的普通M-N4配位结构，这可能是由于稀土原子的尺寸较大。与没有电催化活性的Y和Sc氧化物纳米颗粒（NPs）不同，Y1/NC和Sc1/NC对氮还原（NRR）和二氧化碳还原（CRR）具有优异的催化性能。特别是其在NRR中高法拉第效率（FE）和良好的稳定性，可与其它高性能催化剂媲美。此外，密度泛函理论（DFT）计算分析了NRR在稀土SACs上可能的反应途径和机理。
ACS Nano, 2020
DOI:10.1021/acsnano.9b08835
6、共价有机骨架纳米薄片上的高效电子传输用于的电催化二氧化碳还原
南京师范大学的兰亚乾教授等人通过金属卟啉与TTF的席夫碱缩合反应设计合成了一系列稳定的COFs，进而设计了一系列金属卟啉-四硫富戊烯基共价有机骨架材料(M-TTCOFs)。在这些M-TTCOFs中，TTF与金属卟啉的协同作用可以起到电催化CO2RR中电子供体或载体、电子迁移和电催化活性组分的共同作用。由此获得的M-TTCOFs具有高孔隙率、优异的化学稳定性和均匀分布的金属中心，具有优异的电催化CO2RR性能。由此得到的M-TTCOFs可以作为非常高FECO(91.3%，- 0.7 V)的电催化剂，而且具有高循环稳定性(>40h)。另外，在去角质后，Co-TTCOF纳米片(~5nm)的FECO值在0.6~ 0.9 V的范围内高于90%，最大的FECO可以达到接近100%(99.7%，- 0.8 V)。另外，通过密度泛函理论计算揭示了电催化CO2RR的机理，为设计新型高效的CO2RR电催化剂来解决二氧化碳问题开辟了广阔的前景。
Nature Communications, 2020.
DOI: 10.1038/s41467-019-14237-4
7、气体扩散层与催化剂层合二为一，单原子镍催化剂实现高效CO2RR
深圳大学的何传新报道了电催化CO2还原的最新研究成果。研究者通过静电纺丝法构建了一种高产，灵活且自支撑的Ni单原子/多孔碳纤维膜催化剂(NiSA/PCFM)。该膜催化剂具有相互连接的碳纳米纤维结构和分层的孔，可负载大量有效Ni单原子，在CO2活化中起决定性作用。NiSA/PCFM的多孔且互连的碳纳米纤维为CO2扩散和电子传输提供了重要的通道，同时，该膜具有优异的机械强度和柔韧性，可以轻松地定制为特定的形状或厚度。NiSA/PCFM催化剂是将气体扩散层和催化剂层结合为一种单一的结构。
这种集成的膜可以直接用作气体扩散电极，以建立一个非常稳定的三相界面来实现高性能的CO2电解还原制备CO，其分电流密度为308.4 mA cm-2，法拉第效率为88％，可持续反应120小时。
Nature Communications，2020
DOI: 10.1038/s41467-020-14402-0
8、三维和自支撑的电极提高单原子在电催化二氧化碳还原过程中的利用效率
深圳大学Chuanxin He团队通过构建自支撑、交联和高产率的碳膜来提高单原子钴的利用效率。三维骨架的催化剂具有连续的孔道结构可以提高电化学活性面积和反应物质的传输，从而提高单原子活性位点的利用效率。活性位点的高效利用使催化剂在H-型电解池表现出对CO 91%的法拉第效率和67 mA cm−2的电流密度。在flow cell表现出对CO 92%的法拉第效率和211 mA cm−2的电流密度。
Nano Energy, 2020: 104454.
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104454
9、分开的钴和镍单原子共电还原CO2制合成气
中国科技大学宋礼教授、哥伦比亚大学陈经广教授、佛罗里达农工大学Shyam Kattel教授合作以氮掺杂的碳为载体负载了同时含有Co和Ni的单原子催化剂。研究发现，Co和Ni催化剂可分别选择性催化产生H2和CO，且产合成气效率较高（总电流>74mA cm-2）,CO/H2比例范围广，为0.23-2.26，适用典型的热催化反应反应物的需求。DFT计算结果揭示了Co和Ni单原子催化剂上分别产生H2和CO的关键中间产物。这些研究发现为非贵金属CO2RR催化剂高效制得宽H2/CO比例合成气提供了非常有用的实例。
Angewandte Chemie, 2019.
DOI: 10.1002/ange.201912719
10、揭示高选择性Ni-N-C催化剂电催化还原CO2活性来源
斯坦福大学的Thomas F. Jaramillo和鲍哲楠以及麦克马斯特大学的Drew C. Higgins（通讯作者）和David M. Koshy（第一作者）等人通过控制不同的热解温度合成了不同Ni负载量的聚丙烯腈衍生的Ni, N 掺杂的C电催化剂(Ni-PANC)，通过结合材料的理化性质与催化活性，阐述了这类材料的催化活性来源。他们发现电催化还原CO2成CO的分电流密度在一定范围内随着Ni含量的增加而增大，直到Ni含量达到2wt%出现平台，这证明了Ni的反应活性位点是分散的。作者接着采用软硬X射线来对分散的Ni活性位点进行了表征，结果表明，吡咯氮配体选择性地以一种扭曲的方形平面结构结合镍原子，这种结构与金属卟啉分子催化剂的活性位点非常相似。
Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI:10.1002/anie.201912857
11、综述：二氧化碳电催化还原研究进展
二氧化碳电催化还原系统的关键部件包括电催化剂(决定产物选择性)、离子传导膜(影响能量转化效率)、电极(实现技术应用)等。目前该技术的瓶颈之一在于高效催化剂的开发。最近天津大学的张生教授与合作者发表综述，主要介绍了关于均相和非均相二氧化碳电催化还原的系统研究。
Account of Chemical Research，2020
DOI：10.1021/acs.accounts.9b00496
12、高效电解CO2生成多碳产物
CO2电解转化为有价值的燃料和原料是CO2转化的有效途径。然而，由于气体通过液体电解质扩散到催化剂表面的限制，导致产率往往不高。有鉴于此，加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent 和David Sinton团队设计了一种新型催化剂：离聚物本体异质结（CIBH）结构。
CIBH包含金属和具有疏水、亲水功能的超细离聚物层，这种新型的催化剂可将气体，离子和电子的传输解耦，气体和离子的传输范围从数十纳米扩展到微米级。通过此策略，研究人员在7 M KOH电解液（pH≈15）中，在铜上实现了CO2的高效电解还原。在45％的阴极能量效率下，乙烯分流密度可达1.3 A/cm2。
Science，2020
DOI:10.1126/science.aay4217.
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