基于有限元的电极CO2级联还原反应模拟

将CO2多电子还原为液体燃料可能是可扩展能源存储的一条路径，但实现这一目标需要催化和系统工程方面的重大进展。级联催化通过不隔离中间体来耦合顺序反应，已成为增强CO2还原（CO2R）选择性和效率的一个有前途的途径。在本次综述中，我们考察了基于有限元的连续模型有限元方法（FEM）模拟如何被用来分析和指导CO2R级联系统。我们首先概述了级联催化的基本原理以及催化材料（包括金属、分子和混合结构）的最新进展。接着，我们重点讨论了电极和设备尺度上的FEM发展，强调这些模型如何捕捉传输现象、局部微环境和几何依赖效应。为了阐明设计原则，我们展示了在无集成半导体和有集成半导体的系统中组织的级联电极的案例研究。我们进一步强调了将FEM与多尺度框架（密度泛函理论、分子动力学、动力学蒙特卡罗）相结合，以及其在将原子级洞察与设备级性能相连接中的作用。最后，我们确定了当前的限制和未来前景，包括改进边界条件、与实况实验耦合以及机器学习加速模型开发。总之，这些洞见为下一代CO2R级联系统在高效太阳能燃料生产中的设计原则提供了指导。