期刊Carbon报道先丰氧化石墨烯助力Ni-N-C催化剂CO2电还原

摘要：电化学二氧化碳还原（ECO₂RR）为将温室气体转化为高附加值化学品或燃料提供了可行路径，其中一氧化碳（CO）因其经济高效、清洁低耗成为研究重点。尽管贵金属（Ag、Au、Pd等）催化剂已实现高选择性和工业级电流密度，但其昂贵、资源稀缺及稳定性差限制了大规模应用。

评论人：宁夏大学慕海强

研究背景

电化学二氧化碳还原（ECO₂RR）为将温室气体转化为高附加值化学品或燃料提供了可行路径，其中一氧化碳（CO）因其经济高效、清洁低耗成为研究重点。尽管贵金属（Ag、Au、Pd等）催化剂已实现高选择性和工业级电流密度，但其昂贵、资源稀缺及稳定性差限制了大规模应用。

相对而言，过渡金属与氮掺杂碳基材料制备的催化剂成本低、资源丰富，且表现出优异的ECO2RR性能。镍基催化剂尤其在CO产率方面表现突出，但多集中于中性或碱性体系，酸性介质下易受析氢反应（HER）竞争、催化剂稳定性差、碳酸盐沉淀等问题制约。实现跨pH通用、具备高电流密度和选择性的低成本ECO2RR催化剂，仍是工业化制备CO的重大挑战。

文章内容概述：

该项工作介绍了一种氮掺杂碳负载镍纳米颗粒（Ni-NPs/N-C）催化剂，能够在宽pH范围（pH 1–14）内高效ECO2RR生成CO，并实现工业级电流密度（175.9–325.2 mA cm-2）。该催化剂在强酸性（pH 1）、中性（pH 7.2）和强碱性（pH 14）条件下均表现出接近100%的CO法拉第效率（FE），展现出优异的pH普适性。

研究发现，Ni纳米颗粒（Ni-NPs）的（111）晶面能够优化催化剂界面微环境，调节局部pH，从而促进CO2质子化形成关键中间体*COOH（ΔG=0.16 eV），并加速CO脱附，有效抑制析氢反应（HER）。值得注意的是，在强酸性条件下，CO2利用率高达56.3%，分别是中性和碱性条件下的1.5倍和1.8倍，表明酸性电解体系在CO₂转化效率上的优势。

通过原位红外光谱和密度泛函理计算，作者揭示了Ni-NPs/N-C催化剂通过加速质子传输动力学，优化ECO2RR反应路径，从而提高催化活性和选择性。该研究不仅为开发高效pH通用型CO2电解技术提供了新策略，也为工业级CO2电还原系统的设计提供了重要参考。

文中使用的先丰产品

单层氧化石墨烯（编号：XF002-1 货号：100003）

对先丰产品和服务的评价：

先丰纳米的氧化石墨烯在材料制备及性能产生中作用关键。制备时，它作为分散基底，助力Ni-NPs在氮掺杂碳中分布均匀，增强材料稳定性。性能上，其高导电性促进电荷传输，加快反应速率，提升二氧化碳还原效率，且在不同pH电解液中均能维持良好性能。

使用先丰产品发表的文章：

Mu, H.; Shan, P.; Li, F*. et al. Enhanced pH-universal industrial-level CO2 reduction in N-doped carbon with nickel particles active sites via accelerated proton transport kinetics. Carbon, 2025, 237: 120096. (IF=10.5)

Mu, H.; Li, Y.A.; Wang, X. et al. Tuning N coordination environment in Ag-N-C single atom catalysts for efficient electrochemical CO2-to-Ethanol conversion. J. Colloid Interface Sci. 2024, 654, 1177-1185. (IF=9.4)

宁夏大学/六盘山实验室李晶/李丰团队

研究方向：电化学能源转换材料的构筑及性能研究（电解水制氢、CO2还原、燃料电池等）