陈忠伟/余爱萍JACS: TOF高达20695 h-1！准共价耦合Ni-Cu原子对协同催化CO2电还原

电催化CO₂还原反应(CO₂RR)与间歇性可再生能源(即太阳能或风能)相结合，通过减少CO₂排放并将其转化为增值产品，为人工闭合碳循环提供了一种可持续的方法。然而，CO₂的化学惰性和竞争性析氢反应(HER)导致CO₂RR的低活性和选择性，严重阻碍了这项技术的实际应用。因此，在分子尺度上精确控制多相催化剂结构，以实现CO₂RR中间体的最佳吸附-解吸行为具有重要意义。

近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟和余爱萍等通过DFT筛选，设计了一种准共价耦合的Ni-Cu原子对(Ni/Cu-N-C)，其具有良好调节的Ni 3d电子结构，能够用于高效CO₂RR。

通过理论筛选，研究人员设计了一种新型Ni-Cu双原子中心CO₂RR电催化剂，并且在*COOH吸附能和*CO解吸能之间取得了理想的平衡关系。通过STEM结合EELS映射、XAFS和理论计算系统地研究了原子对构型的结构特征，揭示了共价键合的Cu使Ni 3d轨道构型朝着加速*COOH吸附和降低水离解动力学的方向调整。这些独特的特性使开发的Ni/Cu-N-C催化剂相对于其单原子催化剂具有优异的催化活性、选择性和稳定性。

因此，Ni/Cu-N-C催化剂表现出优异的催化活性和选择性，在-0.6 V vs RHE下，CO₂还原为CO的最大法拉第效率为97.7%，周转频率达到创纪录的20695 h^-1。此外，Ni/Cu-N-C在-0.5至-1.2 V的宽电位范围内表现出80%以上的FE_CO值，并且其在50小时连续运行期间可以保持近100%的初始电流密度和FE_CO。

这些结果证明了双原子中心电催化剂作为CO₂RR的高效材料的巨大前景；目前的工作不仅提出了一种新的策略来刻意调整原子分散催化剂的催化性能，而且还提供了对多原子多相催化剂中协同效应的基本见解。

Quasi-Covalently Coupled Ni-Cu Atomic Pair for Synergistic Electroreduction of CO₂. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00937