利用可再生能源将过量的CO₂转化为增值化学产品或燃料有利于实现碳中和。开发在宽电位范围内高效稳定的电催化剂对于电催化CO₂还原反应(CO₂RR)在增值化工产品中的成熟应用至关重要。

近日，中国石油大学(华东)张军团队设计了一种核壳结构的NC@Ni/C纳米复合材料，该复合材料具有富含吡啶-N的碳层，其中包裹着Ni纳米颗粒(NPs)，其可作为在宽的电势范围内将CO₂转化为CO的高效电催化剂。

Ni NPs可以与表面碳壳协同促进催化反应，这种协同效应使NC@Ni /C-60在连续电催化过程中保持高电流密度和FE_CO。在0.5 M KHCO₃溶液中，优化的NC@Ni/C-60催化剂在-0.65至-1.45 V vs. RHE的宽电位范围内表现出> 90%的高CO法拉第效率(FE_CO)，-1.05 V vs. RHE时的FE_CO达到最高(为97%)。

更重要的是，由于Ni NPs外部NC层的保护作用，NC@Ni/C-60表现出优异的稳定性，在-1.05 V vs. RHE下连续运行92小时并且FE_CO > 95%。

结构研究和密度泛函理论(DFT)计算进一步表明，Ni NPs碳壳中的吡啶-N掺杂在促进CO₂RR活性方面具有双重作用。它不仅通过提高CO₂ 吸附能力来解除CO₂的传质限制，而且通过Ni的电子结构调节降低了^*COOH形成速率决定步骤的反应能垒。

这项工作可能会为开发在广泛的潜在窗口内用于高效电化学CO₂ 还原的实用催化剂提供更多指导。

Dual Role of Pyridinic-N Doping in Carbon-Coated Ni Nanoparticles for Highly Efficient Electrochemical CO₂ Reduction to CO over a Wide Potential Range. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.1c04825