类型a
主要作者与机构及发表信息
该研究的主要作者包括马瑶、肖太师、朱克润、张伟、尹子清、董昂昂、孙正宗、赵东元和李伟。他们分别隶属于复旦大学化学系先进材料实验室、上海市分子催化与创新材料重点实验室、聚合物分子工程国家重点实验室以及微电子学院和ASIC与系统国家重点实验室。论文于2025年发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上。
学术背景
本研究属于电催化CO2还原反应（electrocatalytic CO2 reduction reaction, eCO2RR）领域，旨在通过将CO2转化为有价值的化学原料来应对全球变暖并推动碳中和目标的实现。尽管已有大量催化剂被开发用于CO2到CO的转化，但在高电流密度下仍面临效率低、稳定性差的问题。单原子镍催化剂（Ni-N-C）因其在宽电位范围内表现出的高效法拉第效率（Faradaic Efficiency, FE）而被视为有前景的候选者，但传统制备方法中高温烧结容易导致镍颗粒聚集，从而降低单原子密度。此外，传统的多孔结构（如微孔碳）在高电流密度下限制了质量传输过程。因此，本研究的目标是通过设计一种二维介孔Ni-N-C单原子催化剂，解决高密度单原子与高效质量传输之间的权衡问题，并实现工业级CO2电还原性能。
详细研究流程
1. 催化剂合成
研究采用了一种自下而上的界面组装策略结合简单的碳化工艺来合成二维介孔Ni-N-C催化剂。具体步骤包括：首先使用双氰胺（DCDA）作为配体与镍离子进行均匀组装；然后通过模板法形成介孔结构；最后在800°C下进行碳化处理以稳定镍单原子。为对比，还合成了三维介孔Ni-N-C和二维微孔Ni-N-C作为对照样品。
表征分析
电化学性能测试
膜电极组件（MEA）测试
将催化剂集成到MEA装置中，测试其在实际高电流密度电解中的表现，包括长期稳定性和能量效率。
主要结果
1. 催化剂结构特性
二维介孔Ni-N-C催化剂表现出超薄纳米片结构（6.7 nm厚）和高比表面积（615 m²/g）。XPS和EXAFS分析证实了镍单原子的高分散性和Ni-N4配位结构。
电化学性能
质量传输优化
有限元模拟表明，二维介孔结构显著提高了CO2的扩散速度和CO的脱附效率，从而促进了三相界面反应。
结论与意义
本研究成功开发了一种二维介孔Ni-N-C单原子催化剂，解决了高密度单原子与高效质量传输之间的权衡问题。该催化剂在高电流密度下表现出优异的CO2还原性能，峰值CO部分电流密度达到446 mA/cm²，CO选择性超过95%。此外，催化剂在MEA装置中表现出良好的长期稳定性，能量效率高达42%。这项研究不仅为单原子催化剂的设计提供了新思路，还为实现工业级CO2电还原技术奠定了基础。
研究亮点
1. 首次通过自下而上的界面组装策略合成了具有高单原子密度（6.0 wt%）的二维介孔Ni-N-C催化剂。 2. 超薄二维介孔结构显著提高了质量传输效率，解决了高电流密度下的扩散限制问题。 3. 催化剂在MEA装置中表现出优异的长期稳定性和能量效率，展示了其在实际应用中的潜力。
其他有价值内容
研究团队还通过有限元模拟揭示了二维介孔结构对局部微环境的影响，为未来催化剂设计提供了理论支持。此外，该研究得到了中国国家重点研发计划和国家自然科学基金等多项资助，体现了其重要的科学价值和社会意义。