兰理工科研团队在二氧化碳电化学转化研究方面取得重要研究进展

近日，我校材料科学与工程学院、省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室在Ni基单原子催化剂二氧化碳电催化还原领域取得重要研究进展。相关研究成果以题为“Precise Construction of Asymmetric Ni-N₃Sites Coupled with Carbon Vacancies for Highly Efficient CO₂Electroreduction”发表在材料科学领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》（中国科学院一区TOP，IF=19.9）。本项工作以兰州理工大学为第一完成单位，25级博士研究生邵晓娇为第一作者，冯晨晨副教授、马哲文副教授、王大辉教授、深圳大学於俊副教授为通讯作者。

电催化CO₂还原为高附加值化学品是实现碳中和与可持续能源存储的重要途径，但单原子催化剂普遍面临活性与选择性难以兼得的困境，根源在于M–N_x位点的对称配位结构和碳基底本征活性的局限。针对这一瓶颈，本研究通过控制化学刻蚀并优化Ni²⁺离子交换步骤，成功构建了具有不对称Ni–N₃配位结构且耦合邻近碳空位的镍基单原子催化剂（Ni–N₃–C_V）。碳空位的引入提升了Ni中心的自旋态，增强了电子转移，从而促进了CO₂的活化（*CO₂）。从对称的Ni–N₄结构转变为低配位的Ni–N₃位点，进一步调控了d带中心位置，显著降低了*COOH中间体形成的自由能能垒，并促进了*CO中间体的脱附。因此，Ni–N₃–C_V在CO₂至CO转化中表现出优异的性能，–0.8 V（相对于可逆氢电极）下CO法拉第效率达到97.9 %，且在较宽的电位范围内保持超过80 %的选择性。密度泛函理论（DFT）计算和原位光谱表征阐明了碳空位与不对称配位在优化中间体吸附和反应能垒中的协同作用。该工作强调了不饱和配位与缺陷工程在调控局域电子结构中的协同效应，为提高M–N–C单原子催化剂的本征活性、实现高效CO₂还原提供了可靠的设计策略。

该工作得到了国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项、中国科学院“西部之光”西部青年学者等项目的支持。（图/文：冯晨晨；审核：蒲瑞琛）