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評論人：寧夏大學(xué) 慕海強(qiáng)

研究背景

電化學(xué)二氧化碳還原（ECO2RR）為將溫室氣體轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品或燃料提供了可行路徑，其中一氧化碳（CO）因其經(jīng)濟(jì)高效、清潔低耗成為研究重點(diǎn)。盡管貴金屬（Ag、Au、Pd等）催化劑已實(shí)現(xiàn)高選擇性和工業(yè)級電流密度，但其昂貴、資源稀缺及穩(wěn)定性差限制了大規(guī)模應(yīng)用。

相對而言，過渡金屬與氮摻雜碳基材料制備的催化劑成本低、資源豐富，且表現(xiàn)出優(yōu)異的ECO2RR性能。鎳基催化劑尤其在CO產(chǎn)率方面表現(xiàn)突出，但多集中于中性或堿性體系，酸性介質(zhì)下易受析氫反應(yīng)（HER）競爭、催化劑穩(wěn)定性差、碳酸鹽沉淀等問題制約。實(shí)現(xiàn)跨pH通用、具備高電流密度和選擇性的低成本ECO2RR催化劑，仍是工業(yè)化制備CO的重大挑戰(zhàn)。

文章內(nèi)容概述

該項(xiàng)工作介紹了一種氮摻雜碳負(fù)載鎳納米顆粒（Ni-NPs/N-C）催化劑，能夠在寬pH范圍（pH 1–14）內(nèi)高效ECO2RR生成CO，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)級電流密度（175.9–325.2 mA cm-2）。

該催化劑在強(qiáng)酸性（pH 1）、中性（pH 7.2）和強(qiáng)堿性（pH 14）條件下均表現(xiàn)出接近100%的CO法拉第效率（FE），展現(xiàn)出優(yōu)異的pH普適性。研究發(fā)現(xiàn)，Ni納米顆粒（Ni-NPs）的（111）晶面能夠優(yōu)化催化劑界面微環(huán)境，調(diào)節(jié)局部pH，從而促進(jìn)CO2質(zhì)子化形成關(guān)鍵中間體*COOH（ΔG=0.16eV），并加速CO脫附，有效抑制析氫反應(yīng)（HER）。

值得注意的是，在強(qiáng)酸性條件下，CO2利用率高達(dá)56.3%，分別是中性和堿性條件下的1.5倍和1.8倍，表明酸性電解體系在CO2轉(zhuǎn)化效率上的優(yōu)勢。通過原位紅外光譜和密度泛函理計算，作者揭示了Ni-NPs/N-C催化劑通過加速質(zhì)子傳輸動力學(xué)，優(yōu)化ECO2RR反應(yīng)路徑，從而提高催化活性和選擇性。

該研究不僅為開發(fā)高效pH通用型CO2電解技術(shù)提供了新策略，也為工業(yè)級CO2電還原系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要參考。

文中使用的先豐產(chǎn)品

單層氧化石墨烯（編號：XF002-1 貨號：100003）

對先豐產(chǎn)品和服務(wù)的評價

先豐納米的氧化石墨烯在材料制備及性能產(chǎn)生中作用關(guān)鍵。制備時，它作為分散基底，助力Ni-NPs在氮摻雜碳中分布均勻，增強(qiáng)材料穩(wěn)定性。性能上，其高導(dǎo)電性促進(jìn)電荷傳輸，加快反應(yīng)速率，提升二氧化碳還原效率，且在不同pH電解液中均能維持良好性能。

使用先豐產(chǎn)品發(fā)表的文章

Mu, H.; Shan, P.; Li, F*. et al. Enhanced pH-universal industrial-level CO2 reduction in N-doped carbon with nickel particles active sites via accelerated proton transport kinetics. Carbon, 2025, 237: 120096. (IF=10.5)

Mu, H.; Li, Y.A.; Wang, X. et al. Tuning N coordination environment in Ag-N-C single atom catalysts for efficient electrochemical CO2-to-Ethanol conversion. J. Colloid Interface Sci. 2024, 654, 1177-1185. (IF=9.4)

作者簡介：

寧夏大學(xué)/六盤山實(shí)驗(yàn)室李晶/李豐團(tuán)隊(duì)

研究方向：電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換材料的構(gòu)筑及性能研究（電解水制氫、CO2還原、燃料電池等）

材料推薦

XF002-1單層氧化石墨烯片狀

片徑：0.5~5 μm

厚度：0.8-1.2 nm

純度：約99%