journal article·2025-10-31Open access

Electrocatalytic CO2 reduction to C2+ products by non-Cu-based electrocatalysts: challenges and perspectives

Yuhang Ye, Chaoyu Ren, Zichao Xi, Qiao Chen, Ho Seok Park, Huanyu Jin, Hui-Ming Cheng

Journal of Physics: Energy· Volume 7· Issue 4

Abstract

Abstract Electrocatalytic CO2 reduction reaction (eCO2RR) for C2+ product generation is crucial for advancing clean energy conversion technologies. Cu-based electrocatalysts have long been regarded as the benchmark for producing C2+ products by their moderate adsorption energy for key intermediates and strong C–C coupling capabilities. However, limitations such as poor stability and low selectivity have driven the search for non-Cu-based alternatives. In this review, we carefully analyze the recent progress in non-Cu-based electrocatalysts for eCO2RR. We identify that the CO2 activation and adsorption behavior of intermediates significantly influence the C–C coupling steps. Considering this foundation, we propose three non-Cu-based electrocatalysts for C2+ products: frustrated Lewis acid-base pair catalyst, chiral catalyst, and molecular catalyst. These catalysts show significant potential for C2+ products generation and expanding the catalytic landscape beyond Cu-based systems. Finally, we discuss the current challenges and future directions of this emerging field. This review aims to provide a comprehensive overview and valuable insights to guide future research efforts in developing novel electrocatalysts, contributing to the advancement of sustainable energy applications.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: CO2 Reduction Techniques and Catalysts · Carbon dioxide utilization in catalysis · Ionic liquids properties and applications

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

References (100+)

Show source-provided references
1. Yu · Adv. Funct. Mater. · 2021 · 3110.1002/adfm.202102151 ↗
2. Shih · Joule · 2018 · 2 · 192510.1016/j.joule.2018.08.016 ↗
3. Agnew · Nature · 2024 · 628 · 33310.1038/s41586-024-07170-0 ↗
4. Gallo · Appl. Catal · 2020 · 26710.1016/j.apcatb.2019.118369 ↗
5. Li · Angew. Chem., Int. Ed. · 2019 · 58 · 1454910.1002/anie.201908058 ↗
6. Wu · Nature · 2019 · 575 · 63910.1038/s41586-019-1760-8 ↗
7. Kim · Energy Environ. Sci. · 2023 · 16 · 296810.1039/D2EE03525A ↗
8. Shi · Adv. Funct. Mater. · 2024 · 3410.1002/adfm.202409904 ↗
9. Fang · Nat. Rev. Meth. Primers · 2023 · 3 · 6110.1038/s43586-023-00243-w ↗
10. Chen · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 782510.1038/s41467-024-52291-9 ↗
11. Chang · Adv. Mater. · 2019 · 3110.1002/adma.201804710 ↗
12. Zhang · Nat. Synth. · 2024 · 3 · 156710.1038/s44160-024-00648-9 ↗
13. De Luna · Science · 2019 · 364 · eaav350610.1126/science.aav3506 ↗
14. Mukhopadhyay · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 339710.1038/s41467-024-47498-9 ↗
15. Yan · Chem. Rev. · 2023 · 123 · 1053010.1021/acs.chemrev.2c00514 ↗
16. Xiao · ACS Nano · 2021 · 15 · 797510.1021/acsnano.0c10697 ↗
17. Vogt · Nat. Catal. · 2019 · 2 · 18810.1038/s41929-019-0244-4 ↗
18. Hu · Small · 2024 · 2010.1002/smll.202308226 ↗
19. Wang · ACS Catal. · 2024 · 14 · 74110.1021/acscatal.3c03755 ↗
20. Gao · Nat. Chem. · 2023 · 15 · 70510.1038/s41557-023-01163-8 ↗
21. Zhao · J. Mater. Chem. A · 2019 · 7 · 402610.1039/C8TA11825F ↗
22. Mao · Catal. Sci. Technol. · 2019 · 9 · 680010.1039/C9CY01709G ↗
23. Jiang · ACS Catal. · 2024 · 14 · 831010.1021/acscatal.4c01516 ↗
24. Kormányos · ACS Catal. · 2024 · 14 · 650310.1021/acscatal.3c05952 ↗
25. Deacon-Price · ACS Catal. · 2024 · 14 · 1292810.1021/acscatal.4c02297 ↗
26. Herzog · Angew. Chem., Int. Ed. · 2021 · 60 · 742610.1002/anie.202017070 ↗
27. Wen · Small · 2024 · 2010.1002/smll.202307467 ↗
28. Zhou · Adv. Funct. Mater. · 2022 · 3210.1002/adfm.202113335 ↗
29. Park · ACS Catal. · 2023 · 13 · 922210.1021/acscatal.3c01441 ↗
30. Fu · Chin. J. Catal. · 2022 · 43 · 106610.1016/S1872-2067(21)63981-5 ↗
31. Gao · Nat. Catal. · 2019 · 2 · 19810.1038/s41929-019-0235-5 ↗
32. Wang · Chem. Soc. Rev. · 2021 · 50 · 499310.1039/d0cs00071j ↗
33. Liu · J. Energy Chem. · 2022 · 71 · 6310.1016/j.jechem.2022.03.041 ↗
34. Gao · Nat. Catal. · 2023 · 6 · 88510.1038/s41929-023-01002-6 ↗
35. Yu · Energy Environ. Sci. · 2024 · 17 · 533610.1039/D4EE01301H ↗
36. Hori · Chem. Lett. · 1985 · 14 · 169510.1246/cl.1985.1695 ↗
37. Shi · Matter · 2024 · 7 · 423310.1016/j.matt.2024.09.024 ↗
38. Zhang · J. Mater. Chem. A · 2024 · 12 · 852610.1039/D3TA08011K ↗
39. Liu · ACS Catal. · 2024 · 14 · 48910.1021/acscatal.3c04768 ↗
40. Li · Angew. Chem., Int. Ed. · 2023 · 6210.1002/anie.202217569 ↗
41. Cao · Adv. Mater. · 2024 · 3610.1002/adma.202309648 ↗
42. Li · Appl. Catal · 2025 · 37210.1016/j.apcatb.2025.125302 ↗
43. Zhang · Angew. Chem., Int. Ed. · 2025 · 6410.1002/anie.202424552 ↗
44. Xie · Mater. Today · 2019 · 31 · 4710.1016/j.mattod.2019.05.021 ↗
45. Zhang · Chem. Soc. Rev. · 2024 · 53 · 1062010.1039/D4CS00217B ↗
46. Chen · Nat. Commun. · 2025 · 16 · 192710.1038/s41467-025-56975-8 ↗
47. Lei · Angew. Chem., Int. Ed. · 2025 · 6410.1002/anie.202415726 ↗
48. Chen · Small · 2025 · 2110.1002/smll.202411249 ↗
49. Li · Angew. Chem., Int. Ed. · 2022 · 6110.1002/anie.202201491 ↗
50. Liu · ACS Catal. · 2025 · 15 · 101810.1021/acscatal.4c06685 ↗
51. Lv · Nano Energy · 2023 · 11110.1016/j.nanoen.2023.108384 ↗
52. Sun · ACS Nano · 2025 · 19 · 452810.1021/acsnano.4c14192 ↗
53. Ashebir · Chem. Eng. J. · 2025 · 50910.1016/j.cej.2025.161319 ↗
54. Sun · Adv. Energy Mater. · 202510.1002/aenm.202500283 ↗
55. Fu · Nano Energy · 2025 · 13310.1016/j.nanoen.2024.110461 ↗
56. Zhang · Small · 2023 · 1910.1002/smll.202303016 ↗
57. Wang · ACS Nano · 2024 · 18 · 2675110.1021/acsnano.4c06923 ↗
58. Hao · Angew. Chem., Int. Ed. · 2023 · 6210.1002/anie.202304179 ↗
59. Min · Chem. Eng. J. · 2024 · 50210.1016/j.cej.2024.157813 ↗
60. Hu · Adv. Mater. · 2023 · 3510.1002/adma.202209298 ↗
61. Wei · Nat. Commun. · 2025 · 16 · 165210.1038/s41467-025-56271-5 ↗
62. Zhou · Chem. Eng. J. · 2025 · 50910.1016/j.cej.2025.161455 ↗
63. Ling · Chem. Catal. · 2025 · 510.1016/j.checat.2024.101192 ↗
64. Zhao · ACS Nano · 2024 · 18 · 3574910.1021/acsnano.4c15927 ↗
65. Qin · Carbon Energy · 2024 · 6 · e44410.1002/cey2.444 ↗
66. Wulan · Adv. Funct. Mater. · 2023 · 3310.1002/adfm.202209114 ↗
67. Zhu · J. Energy Chem. · 2025 · 105 · 5410.1016/j.jechem.2025.01.041 ↗
68. Wang · J. Am. Chem. Soc. · 2024 · 146 · 2771310.1021/jacs.4c09404 ↗
69. Lang · Appl. Catal · 2025 · 37110.1016/j.apcatb.2025.125244 ↗
70. Zhang · Adv. Funct. Mater. · 2025 · 3510.1002/adfm.202425606 ↗
71. Saha · J. Am. Chem. Soc. · 2025 · 147 · 149710.1021/jacs.4c08922 ↗
72. Han · Adv. Sci. · 2024 · 1110.1002/advs.202407063 ↗
73. Huang · ACS Nano · 2024 · 18 · 3321010.1021/acsnano.4c12576 ↗
74. Jin · Nano-Micro. Lett. · 2024 · 16 · 410.1007/s40820-023-01214-2 ↗
75. Bao · Angew. Chem., Int. Ed. · 2024 · 6310.1002/anie.202406030 ↗
76. Meng · Small · 2025 · 2110.1002/smll.202408146 ↗
77. Yuan · Appl. Catal · 2025 · 36510.1016/j.apcatb.2024.124975 ↗
78. Wu · Nano Energy · 2024 · 12710.1016/j.nanoen.2024.109729 ↗
79. Guo · ACS Catal. · 2025 · 15 · 317310.1021/acscatal.4c07987 ↗
80. Hu · Angew. Chem., Int. Ed. · 2025 · 6410.1002/anie.202419456 ↗
81. Yu · J. Am. Chem. Soc. · 2025 · 147 · 1229810.1021/jacs.5c02411 ↗
82. Du · ACS Nano · 2023 · 17 · 1005510.1021/acsnano.2c12426 ↗
83. McKee · Nat. Chem. · 2025 · 17 · 9210.1038/s41557-024-01650-6 ↗
84. Cheon · J. Am. Chem. Soc. · 2024 · 146 · 1634810.1021/jacs.4c05961 ↗
85. Zhou · Adv. Funct. Mater. · 2024 · 3410.1002/adfm.202311422 ↗
86. Sun · ACS Catal. · 2025 · 15 · 460510.1021/acscatal.4c05578 ↗
87. Wu · J. Am. Chem. Soc. · 2025 · 147 · 1166210.1021/jacs.5c01149 ↗
88. Ghosh · ACS Catal. · 2024 · 14 · 701110.1021/acscatal.3c05727 ↗
89. Ma · J. Am. Chem. Soc. · 2024 · 146 · 2914010.1021/jacs.4c11326 ↗
90. Wang · J. Mater. Chem. A · 2023 · 11 · 2680410.1039/D3TA05938C ↗
91. Zhu · J. Am. Chem. Soc. · 2023 · 14510.1021/jacs.3c09307 ↗
92. Wang · Adv. Energy Mater. · 2025 · 1510.1002/aenm.202405419 ↗
93. Meng · Appl. Catal. B · 2025 · 36110.1016/j.apcatb.2024.124596 ↗
94. Wang · Angew. Chem., Int. Ed. · 2024 · 6310.1002/anie.202404015 ↗
95. Liu · Appl. Catal. · 2025 · 36210.1016/j.apcatb.2024.124760 ↗
96. Ren · Angew. Chem., Int. Ed. · 2024 · 6310.1002/anie.202316640 ↗
97. Feng · ACS Catal. · 2024 · 14 · 1757110.1021/acscatal.4c05431 ↗
98. Chongdar · Adv. Energy Mater. · 2025 · 1510.1002/aenm.202403809 ↗
99. Calvinho · Energy Environ. Sci. · 2018 · 11 · 255010.1039/C8EE00936H ↗
100. Zhou · Nat. Catal. · 2022 · 5 · 54510.1038/s41929-022-00803-5 ↗