JMST综述：镍基催化剂在二氧化碳电催化中的前景

摘要：镍基催化剂因其低成本、优异的催化活性和对不同产物的可调选择性，在利用可再生电力将二氧化碳(CO2RR)电还原为高价值化学品和燃料方面展现出巨大潜力与不可比拟的优势。本综述从产物角度出发，系统论述了镍基催化剂的优势及其在CO2RR中的最新研究进展，包括镍基催化剂

第一作者：廖青

通讯作者：韩朝

通讯单位：中南大学材料学院

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.07.054

全文速览

镍基催化剂因其低成本、优异的催化活性和对不同产物的可调选择性，在利用可再生电力将二氧化碳(CO2RR)电还原为高价值化学品和燃料方面展现出巨大潜力与不可比拟的优势。本综述从产物角度出发，系统论述了镍基催化剂的优势及其在CO2RR中的最新研究进展，包括镍基催化剂的合成方法、性能表现及作用机制。

研究背景

电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值化学品和燃料，既能实现碳循环闭环，又可有效缓解全球变暖与能源短缺问题。镍基催化剂因其卓越的催化性能和活性，在二氧化碳电催化还原领域展现出巨大潜力与不可替代的优势。

镍基催化剂与贵金属催化剂在CO2RR中的主要产物均为CO，这使得镍在替代贵金属作为CO2RR催化剂方面极具应用价值。镍基催化剂优异的CO2RR性能与析氢反应特性，使其具备增强CO2质子化程度并生成不同比例合成气的潜力。镍能有效替代贵金属作为CO2RR催化剂的原因可归纳为以下四点：首先，镍的电子排布为3d84s2，存在未被电子占据的空轨道，可激活高惰性化学键；其次，镍具有多种价态，易受不同过渡电子影响，展现出强大的电子结构适应性；再者，大量研究表明镍晶格有利于氢吸附，这意味着它能促进CO2RR中间体与质子的结合；此外，镍与钯/铂属同族元素，因而具有相似的催化特性，如对析氢反应、析氧反应、氧还原反应及CO2RR等均表现出良好催化活性。镍基催化剂这种优异的CO2RR与HER协同特性，使其能够调控合成气的不同产出比例。最后，镍作为地壳储量丰富的非贵金属，具有成本低廉、供应充足的优势。

本文亮点

本文全面总结了镍基催化剂在CO2RR中的最新研究进展，详细阐述了CO2RR反应面临的挑战以及镍基催化剂独特的性质。对镍基催化剂在CO2RR不同反应路径下的产物进行了系统归纳，如一氧化碳，甲酸，多碳产物等。此外，本文还深入分析了镍基催化剂在CO2RR实际应用中面临的挑战，如镍基催化剂的低电流密度问题以及长期稳定性问题。

图文解析

图1. 镍基催化剂的优点以及可能的CO2RR产物

图2. CO2RR生成甲酸、CO、甲烷、甲醇等产物的可能反应路径。

图4. 镍基催化剂反应路线总结图。

总结与展望

由于镍具有良好的HER性能，以及在CO2RR初期与HER之间的竞争反应，镍很少被用于CO2RR。随着单原子催化剂的发现，镍单原子催化剂逐渐被应用于CO2RR，令人惊讶的是，镍单原子催化剂表现出极高的CO选择性。在此过程中，研究人员通过胺化、杂原子修饰等方法，提高了基于镍的催化剂的低电流密度。进一步的研究表明，镍还能通过与其他元素形成复合物或合金，将二氧化碳还原为甲酸和多碳产物。迄今为止，基于镍的催化剂发展迅速，包括单原子催化剂、双金属催化剂、纳米复合催化剂等多种类型。现有的基于镍的催化剂仍可通过缺陷工程、改变成分和形态、界面工程、表面掺杂、结晶等方法进行改性。然而，若要将基于镍的催化剂用于工业化的CO2RR，还需提高特定产品的电流密度和长期稳定性。

作者介绍

通讯作者介绍

韩朝教授简介：学士毕业于中南大学，硕士师从黄伯云院士，博士2016年博士毕业于澳大利亚伍伦贡大学，师从澳大利亚工程院院士Shixue Dou教授。博士期间获得优秀研究生奖学金、年度最佳论文等荣誉。博士毕业后先后在美国博伊斯州立大学，澳大利亚悉尼科技大学等地进行博士后研究，期间获得日本JSPS Research Fellow。2022年回国加入中南大学，2023年获得国家级人才项目资助。目前已在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society, ACS Energy Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Science Advances等发表高水平学术论文70余篇。主持国自然青基项目一项，参与过国外多项重大科研项目。目前担任多个国际性学术期刊（如JMST、Battery Energy、Carbon Neutralization等）的青年编委和JMCA，ACS Nano, JACS、EES、AEM等杂志的审稿人。主要研究方向为控制合成各种金属硫族化合物纳米结构并研究其在能源转化与存储器件等方面的应用，例如热电转换，电催化水裂解，离子电池等。

第一作者介绍

廖青硕士简介：2023年9月在中南大学材料科学与工程学院从事电催化研究，导师韩朝教授，现于中南大学材料科学与工程学院攻读学业硕士学位。

引用本文

Qing Liao, Yijian Song, Weijie Li, Duzheng He, Anqiang Pan, Chao Han, Prussian blue analogues for aqueous zinc-ion batteries: Recent process and perspectives, J. Mater. Sci. Technol. 218 (2025) 108-125