然而，這一反應仍然面臨一些科學問題。從熱力學角度看，CO2RR面臨著高能壘的CO2活化、低選擇性以及競爭析氫反應(HER)。從動力學角度看，多個H+/e–轉移步驟導致反應緩慢。此外，低能量效率和碳利用率也阻礙了電化學CO2RR在工業上的實際應用。因此，迫切需要開發能夠提供高能量效率和轉化率的新型催化體系。基于此，中國科學院化學研究所孫曉甫和韓布興院士(共同通訊)等人設計了一種以空心的氮摻雜碳為載體的Ni-Cu雙原子催化劑(Cu/Ni-NC)用于CO2RR。在施加的電位下，產物只能檢測到CO和H2，總法拉第效率(FEs)約為100%。在收集的電解質中沒有檢測到液體產物。之后在KHCO3水溶液(0.5 M)中對Cu/Ni-NC和Ni-NC進行電化學測試以評估起始電位的差異。結果表明，Cu/Ni-NC具有比Ni-NC更高的起始電位。Cu/Ni-NC和Ni-NC在-0.8~-1.3 V(相對于RHE)的電位范圍內均表現出>95%的FEs，在-1.1 V時達到99.1%的最大FE，明顯優于Cu-NC。在堿性(1M KOH，pH=14.0)和中性(0.5 M KHCO3，pH=7.5)環境下的測試結果顯示出類似的趨勢。結果表明，在活性金屬中心方面，Ni比Cu具有更好的CO2-CO的選擇性。值得注意的是，與Ni-NC(158±9 mA cm-2)和Cu-NC(8±2 mA cm-2)相比，Cu/Ni-NC在酸性電解質中具有更高的CO電流密度(190±11 mA cm-2)。Cu/Ni-NC催化劑在酸性和堿性條件下的CO2利用效率在磷酸鹽緩沖液中可達到64.3%，比在KOH電解質(33.0%)中提高了約2倍。原位表征和密度泛函理論(DFT)計算表明，金屬Ni位點是電解過程中的吸附和轉化CO2的活性位點。Cu可以修飾Ni的電子結構，促進CO2活化和*COOH的生成。研究和表征還進一步證明了*COOH中間體是在酸性和堿性條件下通過不同的質子化途徑形成的。值得注意的是，本文還探討了材料的HER副反應路徑自由能，研究發現CuN3-NiN3的HER自由能壘較大，說明CuN3-NiN3抑制HER的能力較強。基于這一理論證據，還可以得出這樣的結論：Cu原子改變了鄰近Ni位點的電子結構，從而促進了CO2RR過程。本文開發了一種有前景的在廣泛的pH范圍內將CO2電還原為CO的催化劑，相信這將為克服電化學過程中CO2的損耗提供新的思路，滿足實際應用的需要。Atomically Dispersed Ni-Cu Catalysts for pH-Universal CO2?Electroreduction,?Advanced Materials,?2023, DOI: 10.1002/adma.202209590.https://doi.org/10.1002/adma.202209590.
