近日，中國科學院大連化學物理研究所黃延強研究員、張濤院士團隊與新加坡南洋理工大學劉彬教授合作，開發(fā)出一種氮摻雜石墨烯錨定的Ni單原子催化劑，能夠作為二氧化碳還原的高效電催化劑，相關工作以共同通訊作者形式發(fā)表在《自然-能源》上（Nature Energy, 2018, 3, 140-147）。
二氧化碳電化學還原是實現碳資源循環(huán)的有效途徑。設計性能優(yōu)異的催化劑以降低過電勢、提高反應選擇性和穩(wěn)定性是CO2電化學還原研究的重點。單原子催化劑活性中心結構清晰,且中心金屬電子結構取決于相鄰配位原子間的相互作用，能夠表現出與均相催化劑相類似的性質，進而有望實現對CO2分子的高效活化和定向轉化。因此，單原子催化劑在CO2電化學還原中展現出巨大潛力。
該團隊采用高溫熱解含氮、碳有機物和Ni鹽混合物的方法，制備了一種氮摻雜石墨烯錨定的Ni單原子催化劑，利用多種表征手段證明：Ni與4個吡啶氮配位并形成了Ni-N4結構，其中Ni為+1價，最外層電子結構為3d9排布；Ni(I)單原子最外層的3d未成對電子易于離域化，能使部分電子從Ni3dx2-y2軌道離域，與吸附的CO2分子的2p軌道形成共價鍵，最終形成帶負電的Ni-CO2 -結構，從而實現了CO2分子的高效活化。Ni單原子催化劑在CO2電化學還原反應中表現出了優(yōu)異的催化性能：在0.6V過電位下，達到350安培每克的比電流和14800h-1的轉換頻率，CO轉化具有97%的法拉第效率。在電流密度22mAcm-2下連續(xù)反應100小時后，催化劑保持其初始活性的98%。相關研究成果為高效CO2電還原催化劑的設計提供了新思路。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。
