电化学还原CO₂为碳基燃料和化学品是碳捕集利用与封存技术的重要组成部分，在可再生能源存储和二氧化碳负排放方面具有广阔的应用前景。开发高效的CO₂还原电催化剂是处在前沿的研究课题，一个理想的CO₂还原反应电催化剂应具有低过电位和高电流密度的产物，同时在长期电解后保持高选择性和活性。然而，由于CO₂具有很强的化学键强(806 kJ mol^-1)和竞争性氢气析出反应的发生，实现理想的CO₂RR催化剂性能是极具挑战性的。目前，一些具有高CO选择性的贵金属催化剂，如金(Au)和银(Ag)，可以在水溶液中获得低过电位，但其高成本和低电流密度限制了实际利用潜力。近期，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授课题组报道了一种具备不饱和且局域不对称的分子型Ni单位点催化剂，其在中性和碱性中均表现出极佳的CO₂向CO还原性能。相关结果发表在国际著名期刊Nature Communications上。论文第一作者为国家同步辐射实验室博士研究生周煜筑，硕士研究生周权和特任高工刘恒劼。何群特任副研究员与宋礼教授为论文的共同通讯作者。（全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39505-2）

图. 催化剂精细结构与催化反应机理分析

在研究中，设计合成了一种具备二氮配位（吡啶与吡咯氮）的分子型Ni单位点（Ni-N-C）催化剂，并将其用于中性和碱性介质中的CO₂电还原反应。同步辐射X射线吸收谱、发射谱等揭示了催化剂中Ni位点的局域配位结构。电化学测试结果表明Ni-N-C催化剂在中性（H型电解池）和碱性（扩散电解池GDE）电解液中都可以实现非常高的电化学性能。尤其是碱性中，催化剂能够在-0.15V_RHE下实现20.1 mA cm_geo^-2的CO分电流密度，在-0.15~-0.9V_RHE电位区间保持90%以上的CO法拉第效率，在-1.0 V_RHE下实现超过274000 site^-1 h^-1的TOF值，超过了大多数已报道的催化剂。基于同步辐射原位X射线吸收谱和红外光谱以及理论计算研究表明，在电化学过程中形成的单CO吸附Ni单位点上能够更好地实现关键中间体形成和CO脱附之间的平衡，这是催化剂高的催化活性的重要起源。本工作呈现了一种具有良好选择性和活性的分子型Ni单位点催化剂，并很好地揭示了其在CO₂电还原反应中的催化机理。

该论文得到了科技部重点研发计划（2020YFA0405803）、国家自然科学基金（12225508，U1932201，22208336）、中央高校基本科研业务费专项资金（WK2310000111，WK2310000099）、安徽省自然科学基金（2108085QA31）等项目的支持，感谢合肥光源、北京光源和上海光源的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39505-2