電催化的新興方向主要集中在以下幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：1. CO?還原反應(yīng)（CO?RR），旨在將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品，這對(duì)于碳循環(huán)和減少溫室氣體排放具有重要意義；2. 氮?dú)夤潭ǎ∟?還原），即通過(guò)電催化將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨等含氮化合物，為綠色肥料生產(chǎn)等提供新途徑；3. 生物質(zhì)衍生化學(xué)品的電催化轉(zhuǎn)化，可將生物質(zhì)中的成分轉(zhuǎn)化為大宗化學(xué)品，有助于減少對(duì)化石資源的依賴；4. 電催化生產(chǎn)過(guò)氧化氫（H?O?），過(guò)氧化氫作為一種清潔氧化劑，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有重要應(yīng)用，該方向具有較高的工業(yè)潛力。

電催化發(fā)展面臨著多方面的挑戰(zhàn)：1. 科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)，包括反應(yīng)的可擴(kuò)展性問(wèn)題，如如何實(shí)現(xiàn)電極尺寸的擴(kuò)大和實(shí)際操作條件的優(yōu)化，以及部分反應(yīng)（如 CO?RR、NRR）的性能尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求；2. 成本問(wèn)題，與電催化技術(shù)相關(guān)的固定成本和運(yùn)營(yíng)成本仍然過(guò)高，需要通過(guò)改進(jìn)電催化劑 / 電極設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作條件等降低成本；3. 研究局限，當(dāng)前研究多集中在電催化劑的機(jī)理和設(shè)計(jì)方面，對(duì)系統(tǒng)工程的關(guān)注不足，且缺乏對(duì)不同反應(yīng)協(xié)同利用等方面的深入探索，同時(shí)在理論方法上，尚未形成統(tǒng)一的電化學(xué)和電催化理論來(lái)指導(dǎo)新型電催化劑的設(shè)計(jì)。

從電催化到光電催化是推動(dòng)能源與化學(xué)品生產(chǎn)向可持續(xù)、循環(huán)和有韌性未來(lái)轉(zhuǎn)型的重要方向，其核心在于整合直接利用太陽(yáng)光的能力，開(kāi)發(fā)光電催化（PEC）器件。PEC 器件主要有兩種類型：一種是光活性單元集成到陽(yáng)極部分（PECa），其中光活性功能通常集成在陽(yáng)極，雖存在使陽(yáng)極和陰極都具備光活性的可能性，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)面臨諸多困難；另一種是光活性單元作為光伏單元（PV/EC）外部存在并最終集成到電池中，其配置基于獨(dú)立的光伏電池驅(qū)動(dòng)電催化單元。PECa 緊湊型電池設(shè)計(jì)中，陰極和陽(yáng)極直接位于膜的兩側(cè)，可減少傳輸限制以提升性能，還能使用氣體擴(kuò)散電極消除電解質(zhì)并實(shí)現(xiàn)零間隙電池。

與電催化器件相比，PEC 系統(tǒng)的電流密度與光活性元件提供的電流密度、電池電阻及光組件和電組件的耦合相關(guān)，工業(yè)感興趣的電催化過(guò)程典型電流密度高于 500 mA/cm2，而 PEC 器件的電流密度要低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。此外，電催化器件可連續(xù)運(yùn)行，PEC 器件則需在有陽(yáng)光時(shí)運(yùn)行，這要求其設(shè)計(jì)需從低成本制造以適應(yīng)不連續(xù)運(yùn)行的角度出發(fā)，而非傳統(tǒng)的太陽(yáng)能到化學(xué)的轉(zhuǎn)換效率考量。在有效性和機(jī)理方面，PEC 與電催化方法本質(zhì)相同，但 PEC 在電勢(shì)和電流密度上存在限制，電催化器件電流密度可達(dá) 1 A/cm2，PEC 器件則通常低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，分散式生產(chǎn)模式下，PEC 生產(chǎn)單元需盡可能減少下游操作，以與生產(chǎn)單元的生產(chǎn)率、壓力等相兼容，但目前文獻(xiàn)對(duì)這些方面關(guān)注較少，PEC 器件也多作為獨(dú)立元素研究，缺乏在價(jià)值鏈中的集成考量。