電催化的新興方向主要集中在以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：1. CO?還原反應（CO?RR），旨在將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的化學品，這對于碳循環(huán)和減少溫室氣體排放具有重要意義；2. 氮氣固定（N?還原），即通過電催化將氮氣轉(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)化為大宗化學品，有助于減少對化石資源的依賴；4. 電催化生產(chǎn)過氧化氫（H?O?），過氧化氫作為一種清潔氧化劑，在多個工業(yè)領(lǐng)域有重要應用，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. 科學與技術(shù)挑戰(zhàn)，包括反應的可擴展性問題，如如何實現(xiàn)電極尺寸的擴大和實際操作條件的優(yōu)化，以及部分反應（如 CO?RR、NRR）的性能尚未達到工業(yè)應用要求；2. 成本問題，與電催化技術(shù)相關(guān)的固定成本和運營成本仍然過高，需要通過改進電催化劑 / 電極設計、優(yōu)化操作條件等降低成本；3. 研究局限，當前研究多集中在電催化劑的機理和設計方面，對系統(tǒng)工程的關(guān)注不足，且缺乏對不同反應協(xié)同利用等方面的深入探索，同時在理論方法上，尚未形成統(tǒng)一的電化學和電催化理論來指導新型電催化劑的設計。

從電催化到光電催化是推動能源與化學品生產(chǎn)向可持續(xù)、循環(huán)和有韌性未來轉(zhuǎn)型的重要方向，其核心在于整合直接利用太陽光的能力，開發(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極部分（PECa），其中光活性功能通常集成在陽極，雖存在使陽極和陰極都具備光活性的可能性，但實際實現(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，其配置基于獨立的光伏電池驅(qū)動電催化單元。PECa 緊湊型電池設計中，陰極和陽極直接位于膜的兩側(cè)，可減少傳輸限制以提升性能，還能使用氣體擴散電極消除電解質(zhì)并實現(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數(shù)量級以上。此外，電催化器件可連續(xù)運行，PEC 器件則需在有陽光時運行，這要求其設計需從低成本制造以適應不連續(xù)運行的角度出發(fā)，而非傳統(tǒng)的太陽能到化學的轉(zhuǎn)換效率考量。在有效性和機理方面，PEC 與電催化方法本質(zhì)相同，但 PEC 在電勢和電流密度上存在限制，電催化器件電流密度可達 1 A/cm2，PEC 器件則通常低兩個數(shù)量級。同時，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，但目前文獻對這些方面關(guān)注較少，PEC 器件也多作為獨立元素研究，缺乏在價值鏈中的集成考量。