《Chem. Sci.》：钙钛矿氧化物用于电催化氮/碳固定的研究进展

Perovskite oxides for electrocatalytic nitrogen/carbon fixation

Hui Zheng, Wenping Li, Siwei Ma, Zheng Li, Zhangxing Chen, Longsheng Zhang*, Jinguang Hu*, Tianxi Liu*

Chem. Sci. 2025, DOI: 10.1039/D5SC05965H

电催化作为一种绿色、可持续的分子转化技术，能够在温和条件下利用可再生电能实现碳源与氮源的高效转化，为实现“碳中和”和“氮循环”提供关键支撑。在该领域中，二氧化碳还原反应（CO₂RR）、氮还原反应（NRR）、硝酸盐还原反应（NO₃RR），氮气氧化反应（NOR）以及碳氮偶联反应（C–N coupling）是目前的研究热点。这些反应不仅涉及多电子/质子协同转移及复杂的中间体演化，还普遍伴随着副反应发生（如析氢反应），导致催化效率与产物选择性不足。同时，CO₂中稳定的C=O键、N₂中高键能的N≡N键以及多通道的反应路径，使得反应动力学与能量学均存在显著挑战。

钙钛矿氧化物凭借其可调控的晶体结构、灵活的电子态分布以及优异的稳定性，在电催化碳/氮固定中展现出独特优势。本课题组综述总结了钙钛矿氧化物在CO₂RR、NRR/NO₃RR、NOR及C–N偶联中的最新研究进展，重点介绍了掺杂工程、氧空位调控、非化学计量结构设计、异质界面构建和晶面调控等多维度策略对催化性能的提升作用。该综述不仅梳理了这些材料在促进碳源与氮源分子活化、提升产物选择性和反应速率方面的关键机理，也深入分析了当前存在的挑战，如反应路径机理认知不足、长时间稳定性和电流密度适应性欠佳、以及器件集成与规模化应用的局限性。最后，该综述展望了钙钛矿氧化物催化剂材料的未来发展方向：通过原子级精准合成实现催化剂结构的精细调控；结合原位光谱与理论模拟揭示关键中间体和限速步骤；探索膜电极反应器与流动电解槽等先进反应体系以提升器件性能；并进一步展望多电子耦合与C–N偶联反应的研究，为高附加值含氮有机物（如尿素、酰胺和氨基酸）的绿色合成奠定基础。该综述为钙钛矿氧化物在电催化固碳/固氮研究中提供了全面的研究框架和前瞻性指导。

本论文第一作者为博士研究生郑慧，通讯作者为江南大学刘天西教授和张龙生副教授、卡尔加里大学胡劲光教授。

论文连接：https://doi.org/10.1039/D5SC05965H