2025年電催化合成科技熱點回眸

原文發表于《科技導報》2026 年第1 期 《 2025年電催化合成科技熱點回眸 》

在全球綠色低碳轉型的背景下，電催化合成技術利用可再生電能驅動化學反應，為溫和條件下直接合成化學品提供了極具前景的路徑。《科技導報》邀請重慶大學王鑫智、李存璞、魏子棟撰文，文章綜述了電催化合成領域的重要進展，電催化合成技術的協同發展為實現“雙碳”目標提供了堅實支撐，并為后續電催化合成的研究方向提供相應參考。

在“雙碳”目標與全球能源轉型的雙重驅動下，化學工業亟待突破對化石原料與高能耗過程的依賴，邁向低碳化生產。電催化合成技術依托可再生電能驅動化學反應，可在常溫常壓下直接轉化反應物分子，兼具原子經濟性優勢與碳減排潛力，被視為協同應對能源轉換與綠色化工挑戰的重要路徑。

隨著該領域研究逐漸從局部催化劑優化轉向整體系統構建，學界關注點日益聚焦于真實反應條件下的界面動態行為、微環境調控及電解裝置工程化等系統性議題，并積極推動電合成向集成化、實用化方向邁進。電催化合成技術有望通過基礎研究與工程創新的協同突破，重塑化學工業的底層邏輯，為實現綠色、低碳、可持續的物質制造體系提供決定性支撐。

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無機分子電催化的機制深化與體系創新

近年來，無機分子電催化領域的研究取得了重要進展。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，全面轉向對“催化劑?界面?系統”多尺度耦合的深入理解與協同調控。這一轉變標志著該領域的研究正向更復雜、更貼近實際應用場景的方向系統演進。

1.1 電催化CO2還原

電催化CO2還原（CO2RR）技術將溫室氣體轉化為高附加值燃料和化學品，是實現“雙碳”目標的關鍵路徑之一。其核心是利用可再生電能（如太陽能、風能）驅動CO2分子在催化劑表面發生還原反應。

近期，研究者將研究重點聚焦于界面微環境的定量調控。洛桑聯邦理工學院的Chang等通過在銅（Cu）表面共價生長一層功能化的苯基團，探索其對CO2RR性能的影響。通過假設這種表面修飾能夠改變界面水結構，從而影響質子耦合電子轉移（PCET）過程，如圖1所示，進而提高C2+產物的生成效率。

重慶大學魏子棟團隊利用錫基材料控制電還原過程中對產物甲酸的定向選擇，提出一種調控決速步驟的思路，通過不同電負性和原子半徑的S、Se和Te來調控電化學還原過程中的界面吸附強度和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 界面微環境調控CO2RR還原CH4示意

此外，通過對電子結構的精細調控，也可有效提升目標產物的產率與法拉第效率。重慶大學李存璞團隊通過精細調控電子結構，關鍵中間體*OCHO在Sb表面的對稱吸附成功轉變為在Te摻雜Sb電極上的非對稱吸附。在該非對稱吸附過程中，會形成一種高極性物質O=CH—Ounsy·，該物質能夠輕易進行電子注入和氫化反應，從而完成還原過程，如圖2所示。

圖2 CO2RR反應工藝過程示意

為實現工業化所需的電流密度（>200 mA/cm2），研究者的重心已從H型電解池迅速轉移至膜電極組件和流動電解槽的設計。南京大學李朝升教授團隊開發了一種原位電聚合方法，提出酞菁鈷在氣體擴散電極上的直接共價接枝的方法。

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

圖3 催化劑與氣體擴散電極原位共價接枝

除了調控微環境和改善電極組件/電解槽來提高CO2RR性能之外，直接從空氣中捕獲的稀薄CO2或工業尾氣中的雜質耐受性研究也成為研究熱點。蘇州科技大學楊鴻斌團隊研究了一類基于原子級相鄰鎳（Ni）和磷（P）位點的集成催化對（ICPs），其能夠協同活化CO2和H2O，并在貧CO2條件下實現高選擇性CO生產。

1.2 電催化氮還原

電催化氮還原（NRR）反應由于其反應溫和，可直接耦合可再生能源，成為合成氨的一種新技術。其核心原理是利用可再生電能（如太陽能、風能），在常溫常壓的電解質溶液中，驅動氮氣（N2）和質子源（如H2O）在催化劑表面發生還原反應，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展，但仍受限于對稱電子分布和中間體吸附能之間的線性關系。

南京大學夏興華團隊報道了一種嵌入氮摻雜碳（NC）基質中的異核金屬?金屬鍵合雙原子（DA）Mn?Cu催化位點的合成，如圖4所示，局域在雙原子位點上的不對稱電子分布協同增強了N2的吸附與活化，促進了復雜的質子耦合電子轉移過程。

圖4 雙原子催化位點氮還原示意

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

代爾夫特理工大學Kortlever團隊報道并首次在高壓（2 MPa N2）Li?NRR體系中，引入并驗證了一種基于部分脫鋰的LixFePO4（LFP）的穩定參比電極，如圖5所示。解決了傳統準參比電極電位漂移的問題，實現了對工作電極電位的精確控制與測量。

圖5 Li?NRR反應示意

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（NO3RR）的法拉第效率與氨產率通常顯著高于氮氣還原反應，此外，該方法還能以富含硝酸鹽的廢水為原料，兼具環境修復價值。天津大學朱勝利團隊提出在Pt/np?Co2P催化劑上實現的氫溢流途徑，氫氣溢流機制如圖6所示。這是一種在寬電位范圍內有效調控活性氫可用性并提升NO3RR性能的策略。

圖6 氫氣溢流機制示意

1.3 電解水制氫

電化學水分解制氫技術因其高效、清潔的特點，被認為是實現氫氣大規模生產的重要途徑之一。然而，該技術的大規模商業化應用仍面臨著諸多挑戰，其中最關鍵的問題之一便是高效、穩定電催化劑的開發。在電化學水分解過程中，氫氣析出反應（HER）和氧氣析出反應（OER）是2個關鍵步驟。基于此，研究人員在深入理解催化劑在電化學反應過程中的結構演變機制中，致力于開發出高穩定、高性能的電催化劑。

香港城市大學張文軍課題組報道了一種具有超長時間穩定性、高性能催化劑，通過對Co2Mo3O8預催化劑進行電位依賴性重建，得到了電化學穩定的Co（OH）2@Co2Mo3O8催化劑，額外的Mo以MoO42?的形式溶解到電解質中。此外，該催化劑能在約100 mA/cm2下保持穩定超過1個月，具有較高的工業適用性。這為設計高性能、穩定的電催化劑提供重要的理論和實驗依據。

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有機分子電合成的機制創新

在過去幾年中，有機電合成領域的研究實現了從傳統電解工藝優化向反應機制創新的關鍵跨越。

2.1 芳基鹵化物電合成

2025年研究的重大進展在于，將電化學從單純的“電源”角色，提升為能夠主動調控反應路徑的“智能反應元件”。在有機反應中，控制反應的取代程度（如單取代或雙取代）通常需要使用不同的試劑、反應條件和溫度，這往往導致分離成本增加。簡化這種復雜性，同時開發更直接、高效的方法來控制反應結果，一直是有機化學中的一個挑戰。特別是對于芳基鹵化物的合成，但這種方法往往缺乏選擇性，導致多鹵代產物的復雜混合。

基于此，重慶大學李存璞團隊研究催化劑Bu4NBr在精準的電極電位調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，利用電極激活的獨特能力提高底物的反應活性和反應效率。

圖7 苯胺衍生物的鹵化

2.2 氨基酸電合成

氨基酸作為蛋白質的基礎組成單元和人體代謝的關鍵調節劑，在食品、醫藥和化工等領域具有廣泛應用。電催化碳氮偶聯作為一種多功能新興策略，已成功實現尿素、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便、反應條件溫和、底物適應性廣等優勢，為氨基酸合成提供了極具潛力的解決方案。

中國科學院化學研究所韓布興課題組提出通過質子調控策略來提高氨基酸電合成選擇性與生產速率的方法。在原位電還原/結構重構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。基于此質子調控機制，通過優化各步驟反應電位設計了順序還原策略，實現了甘氨酸電合成性能的突破。

圖8 甘氨酸電化學合成示意

2.3 塑料廢棄物電催化升級回收

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為全球產量第4大的熱塑性聚合物，PET的高化學穩定性也導致其在自然環境中極難降解，其生命周期估計超過450 a。傳統的PET回收方法主要包括機械回收、熱回收與化學回收。

近年來，電催化升級回收技術因其反應條件溫和、過程可控、可與可再生能源耦合等優勢，成為塑料廢棄物高值化利用的前沿方向。通過電化學氧化PET水解產物（如對苯二甲酸和乙二醇），可同步制備甲酸、甲酸鹽、乙二醇酸等高附加值化學品，并與陰極反應（如產氫、CO2還原、硝酸鹽還原）耦合（如圖9所示），構建能量與物質協同轉化體系。

圖9 將PET塑料廢棄物化學催化升級回收轉化為材料、燃料及化學品示意

中南大學林璋課題組以（M = Mn，Fe，Co，Cu，Ni）為模型催化劑，研究發現晶格氧活性是調控廢棄聚對苯二甲酸乙二醇酯電化學升級的關鍵因素。該團隊后續研究進一步演示了真實廢棄PET的直接電催化升級回收，估算每噸回收PET可獲利739美元，證明了其經濟可行性。

2.4 生物質分子電催化升級

將生物質資源轉化為高附加值化學品，對于可再生碳資源增值具有重要意義。近期的進展在于開發低成本、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資源作為原料，合成高附加值化學品，正展現出廣闊的發展前景。FDCA作為一種核心的生物基平臺化合物，有望取代石油基單體對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，開發高效的電催化材料非常必要。

華中科技大學王得麗團隊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的吸電子能力，可促進晶格羥基的活化，從而在納米線表面產生大量的高價Ni3+/Co3+活性位點。

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結論

近年來，電催化合成領域在基礎研究與技術應用層面均取得了系統性進展，研究范式呈現出從“局部優化”向“全局協同”的深刻轉變。

• 在無機分子轉化方面，研究焦點已超越對催化劑本征活性的孤立探索，深入至對“催化劑?界面?微環境?系統”多尺度耦合機制的解析與調控。
• 在有機電合成方面，研究實現了從工藝優化到機制創新的跨越，通過精準調控電子轉移路徑，實現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塑料和生物質分子高效轉化為高附加值化學品，展現了電化學在實現精準合成與資源循環方面的獨特優勢。

此外，電化學合成技術將持續拓展。

• 在科學認知層面，研究將從靜態表征走向動態追蹤與實時調控。利用原位表征技術，深刻揭示催化活性位點在真實電勢、特定微環境及反應物傳質過程中的動態演化規律。
• 在跨學科融合方面，電催化合成將進一步突破傳統反應邊界。一方面，與生物催化、熱催化等過程相結合，發展“電?生物”或“電?熱”級聯催化策略，實現難以通過單一途徑獲得的高值化學品合成；另一方面，其應用場景將從單純的小分子轉化延伸至復雜原料的升級再造，構建以可再生碳資源為起點的“電合成?循環”的新路線，真正實現從分子到產品的全鏈條碳減排。

通過以上路徑的持續推進，基礎科學的不斷突破與工程技術的迭代創新，電催化合成有望重塑化學工業的底層邏輯，為實現碳中和目標與綠色化學制造提供核心科技支撐。

本文作者：王鑫智、李存璞、魏子棟

作者簡介：王鑫智，重慶大學化學化工學院，博士研究生，研究方向為有機電化學合成；李存璞（通信作者），重慶大學化學化工學院、重慶大學鋰電及新材料遂寧研究院，教授，研究方向為鋰金屬硫電池和有機電化學合成；魏子棟（共同通信作者），重慶大學化學化工學院、重慶大學鋰電及新材料遂寧研究院，教授，研究方向為新能源材料化學與化工。

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

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