在全球绿色低碳转型的背景下，电催化合成技术利用可再生电能驱动化学反应，为温和条件下直接合成化学品提供了极具前景的路径。《科技导报》邀请重庆大学王鑫智、李存璞、魏子栋撰文，文章综述了电催化合成领域的重要进展，电催化合成技术的协同发展为实现“双碳”目标提供了坚实支撑，并为后续电催化合成的研究方向提供相应参考。
在“双碳”目标与全球能源转型的双重驱动下，化学工业亟待突破对化石原料与高能耗过程的依赖，迈向低碳化生产。电催化合成技术依托可再生电能驱动化学反应，可在常温常压下直接转化反应物分子，兼具原子经济性优势与碳减排潜力，被视为协同应对能源转换与绿色化工挑战的重要路径。
随着该领域研究逐渐从局部催化剂优化转向整体系统构建，学界关注点日益聚焦于真实反应条件下的界面动态行为、微环境调控及电解装置工程化等系统性议题，并积极推动电合成向集成化、实用化方向迈进。电催化合成技术有望通过基础研究与工程创新的协同突破，重塑化学工业的底层逻辑，为实现绿色、低碳、可持续的物质制造体系提供决定性支撑。
1、无机分子电催化的机制深化与体系创新
近年来，无机分子电催化领域的研究取得了重要进展。其显著变化在于研究重心已从以往孤立地探究催化剂的本征活性，全面转向对“催化剂−界面−系统”多尺度耦合的深入理解与协同调控。这一转变标志着该领域的研究正向更复杂、更贴近实际应用场景的方向系统演进。
1.1电催化CO2还原
电催化CO2还原（CO2RR）技术将温室气体转化为高附加值燃料和化学品，是实现“双碳”目标的关键路径之一。其核心是利用可再生电能（如太阳能、风能）驱动CO2分子在催化剂表面发生还原反应。
近期，研究者将研究重点聚焦于界面微环境的定量调控。洛桑联邦理工学院的Chang等通过在铜（Cu）表面共价生长一层功能化的苯基团，探索其对CO2RR性能的影响。通过假设这种表面修饰能够改变界面水结构，从而影响质子耦合电子转移（PCET）过程，如图1所示，进而提高C2+产物的生成效率。
重庆大学魏子栋团队利用锡基材料控制电还原过程中对产物甲酸的定向选择，提出一种调控决速步骤的思路，通过不同电负性和原子半径的S、Se和Te来调控电化学还原过程中的界面吸附强度和Sn—Sn原子间距，从而获得一种平衡吸附的策略，最终提升了CO2还原到甲酸的选择性。
图1界面微环境调控CO2RR还原CH4示意
此外，通过对电子结构的精细调控，也可有效提升目标产物的产率与法拉第效率。重庆大学李存璞团队通过精细调控电子结构，关键中间体*OCHO在Sb表面的对称吸附成功转变为在Te掺杂Sb电极上的非对称吸附。在该非对称吸附过程中，会形成一种高极性物质O=CH—Ounsy·，该物质能够轻易进行电子注入和氢化反应，从而完成还原过程，如图2所示。
图2CO2RR反应工艺过程示意
为实现工业化所需的电流密度（>200mA/cm2），研究者的重心已从H型电解池迅速转移至膜电极组件和流动电解槽的设计。南京大学李朝升教授团队开发了一种原位电聚合方法，提出酞菁钴在气体扩散电极上的直接共价接枝的方法。
该方法以聚吡咯为连接桥梁，通过电聚合过程中引发的C—C偶联反应，将催化剂稳固锚定在电极界面，如图3所示。该策略不仅保障了催化位点的牢固负载与均匀分散，而且无需复杂的分子修饰或电极预处理，有效维持了电极的疏水特性，有利于CO2的高效传输。
图3催化剂与气体扩散电极原位共价接枝
除了调控微环境和改善电极组件/电解槽来提高CO2RR性能之外，直接从空气中捕获的稀薄CO2或工业尾气中的杂质耐受性研究也成为研究热点。苏州科技大学杨鸿斌团队研究了一类基于原子级相邻镍（Ni）和磷（P）位点的集成催化对（ICPs），其能够协同活化CO2和H2O，并在贫CO2条件下实现高选择性CO生产。
1.2电催化氮还原
电催化氮还原（NRR）反应由于其反应温和，可直接耦合可再生能源，成为合成氨的一种新技术。其核心原理是利用可再生电能（如太阳能、风能），在常温常压的电解质溶液中，驱动氮气（N2）和质子源（如H2O）在催化剂表面发生还原反应，直接合成氨。目前NRR研究主要集中在单原子催化（SACs）（如Fe、Mn、Ru、Cu、Au等），其在N2吸附和活化方面已有显著进展，但仍受限于对称电子分布和中间体吸附能之间的线性关系。
南京大学夏兴华团队报道了一种嵌入氮掺杂碳（NC）基质中的异核金属−金属键合双原子（DA）Mn−Cu催化位点的合成，如图4所示，局域在双原子位点上的不对称电子分布协同增强了N2的吸附与活化，促进了复杂的质子耦合电子转移过程。
图4双原子催化位点氮还原示意
目前较为成功的常温条件下电化学合成氨途径是基于非水相锂介导氮还原反应（Li−NRR），该反应最早于20世纪90年代由Tsuneto等开展研究，锂介导N2电化学还原被认为是最具前景的常温常压“绿色”合成氨路径之一，可实现>95%的法拉第效率。
代尔夫特理工大学Kortlever团队报道并首次在高压（2MPaN2）Li−NRR体系中，引入并验证了一种基于部分脱锂的LixFePO4（LFP）的稳定参比电极，如图5所示。解决了传统准参比电极电位漂移的问题，实现了对工作电极电位的精确控制与测量。
图5Li−NRR反应示意
由于硝酸根离子在水中溶解度较高，且N=O键能（204kJ/mol）较低，因此电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）的法拉第效率与氨产率通常显著高于氮气还原反应，此外，该方法还能以富含硝酸盐的废水为原料，兼具环境修复价值。天津大学朱胜利团队提出在Pt/np−Co2P催化剂上实现的氢溢流途径，氢气溢流机制如图6所示。这是一种在宽电位范围内有效调控活性氢可用性并提升NO3RR性能的策略。
图6氢气溢流机制示意
1.3电解水制氢
电化学水分解制氢技术因其高效、清洁的特点，被认为是实现氢气大规模生产的重要途径之一。然而，该技术的大规模商业化应用仍面临着诸多挑战，其中最关键的问题之一便是高效、稳定电催化剂的开发。在电化学水分解过程中，氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）是2个关键步骤。基于此，研究人员在深入理解催化剂在电化学反应过程中的结构演变机制中，致力于开发出高稳定、高性能的电催化剂。
香港城市大学张文军课题组报道了一种具有超长时间稳定性、高性能催化剂，通过对Co2Mo3O8预催化剂进行电位依赖性重建，得到了电化学稳定的Co（OH）2@Co2Mo3O8催化剂，额外的Mo以MoO42−的形式溶解到电解质中。此外，该催化剂能在约100mA/cm2下保持稳定超过1个月，具有较高的工业适用性。这为设计高性能、稳定的电催化剂提供重要的理论和实验依据。
2、有机分子电合成的机制创新
在过去几年中，有机电合成领域的研究实现了从传统电解工艺优化向反应机制创新的关键跨越。
2.1芳基卤化物电合成
2025年研究的重大进展在于，将电化学从单纯的“电源”角色，提升为能够主动调控反应路径的“智能反应元件”。在有机反应中，控制反应的取代程度（如单取代或双取代）通常需要使用不同的试剂、反应条件和温度，这往往导致分离成本增加。简化这种复杂性，同时开发更直接、高效的方法来控制反应结果，一直是有机化学中的一个挑战。特别是对于芳基卤化物的合成，但这种方法往往缺乏选择性，导致多卤代产物的复杂混合。
基于此，重庆大学李存璞团队研究催化剂Bu4NBr在精准的电极电位调控下选择性地卤化芳胺衍生物，如图7所示。这种方法无需使用氧化剂、过渡金属或外部碱，利用电极激活的独特能力提高底物的反应活性和反应效率。
图7苯胺衍生物的卤化
2.2氨基酸电合成
氨基酸作为蛋白质的基础组成单元和人体代谢的关键调节剂，在食品、医药和化工等领域具有广泛应用。电催化碳氮偶联作为一种多功能新兴策略，已成功实现尿素、酰胺、胺类及肟等化合物的电合成。这种电合成方法具有操作简便、反应条件温和、底物适应性广等优势，为氨基酸合成提供了极具潜力的解决方案。
中国科学院化学研究所韩布兴课题组提出通过质子调控策略来提高氨基酸电合成选择性与生产速率的方法。在原位电还原/结构重构的纳米枝状铋催化剂上，通过α−酮酸与含氮源（如硝酸盐）的C—N耦合制备氨基酸，如图8所示。基于此质子调控机制，通过优化各步骤反应电位设计了顺序还原策略，实现了甘氨酸电合成性能的突破。
图8甘氨酸电化学合成示意
2.3塑料废弃物电催化升级回收
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为全球产量第4大的热塑性聚合物，PET的高化学稳定性也导致其在自然环境中极难降解，其生命周期估计超过450a。传统的PET回收方法主要包括机械回收、热回收与化学回收。
近年来，电催化升级回收技术因其反应条件温和、过程可控、可与可再生能源耦合等优势，成为塑料废弃物高值化利用的前沿方向。通过电化学氧化PET水解产物（如对苯二甲酸和乙二醇），可同步制备甲酸、甲酸盐、乙二醇酸等高附加值化学品，并与阴极反应（如产氢、CO2还原、硝酸盐还原）耦合（如图9所示），构建能量与物质协同转化体系。
图9将PET塑料废弃物化学催化升级回收转化为材料、燃料及化学品示意
中南大学林璋课题组以（M=Mn，Fe，Co，Cu，Ni）为模型催化剂，研究发现晶格氧活性是调控废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯电化学升级的关键因素。该团队后续研究进一步演示了真实废弃PET的直接电催化升级回收，估算每吨回收PET可获利739美元，证明了其经济可行性。
2.4生物质分子电催化升级
将生物质资源转化为高附加值化学品，对于可再生碳资源增值具有重要意义。近期的进展在于开发低成本、高活性的非贵金属催化剂，利用广泛存在且具备可再生特性的生物质资源作为原料，合成高附加值化学品，正展现出广阔的发展前景。FDCA作为一种核心的生物基平台化合物，有望取代石油基单体对苯二甲酸合成可降解聚酯等材料。电催化氧化HMF是制备FDCA的一种重要途径，开发高效的电催化材料非常必要。
华中科技大学王得丽团队通过制备苯甲酸配体杂化的BZ−NiCo（OH）x纳米线催化剂。苯甲酸配体具有很强的吸电子能力，可促进晶格羟基的活化，从而在纳米线表面产生大量的高价Ni3+/Co3+活性位点。
3、结论
近年来，电催化合成领域在基础研究与技术应用层面均取得了系统性进展，研究范式呈现出从“局部优化”向“全局协同”的深刻转变。
在无机分子转化方面，研究焦点已超越对催化剂本征活性的孤立探索，深入至对“催化剂−界面−微环境−系统”多尺度耦合机制的解析与调控。
在有机电合成方面，研究实现了从工艺优化到机制创新的跨越，通过精准调控电子转移路径，实现了芳基卤化物的电位依赖性选择性合成、氨基酸的绿色电合成，并成功将废弃PET塑料和生物质分子高效转化为高附加值化学品，展现了电化学在实现精准合成与资源循环方面的独特优势。
此外，电化学合成技术将持续拓展。
在科学认知层面，研究将从静态表征走向动态追踪与实时调控。利用原位表征技术，深刻揭示催化活性位点在真实电势、特定微环境及反应物传质过程中的动态演化规律。
在跨学科融合方面，电催化合成将进一步突破传统反应边界。一方面，与生物催化、热催化等过程相结合，发展“电−生物”或“电−热”级联催化策略，实现难以通过单一途径获得的高值化学品合成；另一方面，其应用场景将从单纯的小分子转化延伸至复杂原料的升级再造，构建以可再生碳资源为起点的“电合成−循环”的新路线，真正实现从分子到产品的全链条碳减排。
通过以上路径的持续推进，基础科学的不断突破与工程技术的迭代创新，电催化合成有望重塑化学工业的底层逻辑，为实现碳中和目标与绿色化学制造提供核心科技支撑。
作者简介：王鑫智，重庆大学化学化工学院，博士研究生，研究方向为有机电化学合成；李存璞（通信作者），重庆大学化学化工学院、重庆大学锂电及新材料遂宁研究院，教授，研究方向为锂金属硫电池和有机电化学合成；魏子栋（共同通信作者），重庆大学化学化工学院、重庆大学锂电及新材料遂宁研究院，教授，研究方向为新能源材料化学与化工。
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