宁夏大学/六盘山实验室李晶/李丰团队：全pH值范围内的工业级CO2电还原！

第一作者：慕海强

通讯作者：李晶*，李丰*

单位：宁夏大学化学化工学院，宁夏银川750021

           六盘山实验室，宁夏银川

           宁夏大学分析测试中心，宁夏银川 

电化学二氧化碳还原技术作为碳中和战略的核心环节，在推动碳资源循环利用方面发挥着关键作用。当前制约该技术产业化应用的主要瓶颈在于：传统中性/碱性体系存在碳酸盐沉积与反应物转化率偏低的双重挑战（商业应用受限）。采用酸性电解环境虽能有效规避上述问题，却面临析氢副反应主导的技术难题。

为解决这一矛盾，宁夏大学/六盘山实验室李晶/李丰团队报道了通过加速质子传输动力学增强Ni-N-C催化剂在全pH范围内工业级电流密度下的CO₂电还原制备CO。

基于此，来自宁夏大学/六盘山实验室李晶/李丰团队在国际知名期刊Carbon上发表题为“Enhanced pH-universal industrial-level CO₂ reduction in N-doped carbon with nickel particles active sites via accelerated proton transport kinetics”的研究文章。该论文构建了氮配位碳载体负载的镍基催化剂体系，通过构建质子转移通道策略，成功实现全pH范围内（1-14）工业级电流密度（175.9 to 325.2 mA cm^-2）下的高效CO₂还原制备CO。实验证实该催化剂在酸性介质中可维持约100%的CO选择性，其碳原子利用率较常规体系提升1.5倍，表现出显著的竞争优势。

图1 GDEs的电化学CO₂还原性能：（a-c） FECO, (d-f) jCO，以及Ni-NPs/N-C和N-C在强酸性、中性和强碱性电解质中的产率。(g)不同溶液中流量为5 ~ 40 sccm、250 mA cm^-2的SPCE。(h) Ni-NPs/N-C在-1.43 V强酸性电解液中的长期催化稳定性。

现有电还原催化剂难以兼顾不同 pH 电解液环境。尤其是在酸性电解液中析氢反应（HER）占主导， CO₂转化效率较低，因此，适配酸性体系的高性能催化剂设计尤为重要；中性和碱性电解液虽能抑制 HER，但存在严重的盐析效应等问题，限制了CO₂还原反应的实际应用。本文制备的Ni-NPs/N-C催化剂在强酸性（pH=1）、中性（pH=7.2）和强碱性（pH=14）电解液中，法拉第效率（FECO）均接近100%，并达到了工业级电流密度（175.9- 325.2 mA cm^-2），且在酸性条件下CO₂利用效率达 56.3% 。这得益于Ni-NPs 在载体N-C上高度均匀的分散性。同时，其颗粒和单原子共存的结构有助于CO₂的吸附和活化及关键中间体*CO的解吸，同时，质子的高效利用加快了反应动力学并抑制了 HER。因此表现出优异的酸性条件下的CO₂还原性能。

要点二：加速质子传输，调节局部反应环境

当前，传统催化剂在质子传输和局部反应环境自调节方面能力不足。在ECO₂RR过程中，质子传输速率影响反应效率和催化剂界面局部 pH，导致反应活性和选择性受限。本文发现 Ni-NPs/N-C 催化剂可加速质子传输动力学，自调节并稳定催化剂界面局部 pH。在不同 pH 电解液中反应时，均匀分散的 Ni-NPs (111) 位点发挥作用。在酸性电解液中，Ni-NPs 显著提高H⁺与CO₂反应形成 *CO 和OH^-的转化率，OH^-能迅速被周围水和H⁺消耗，使催化剂表面OH^-生成/酸化过程快速达到平衡。在中性和碱性电解液中，也有助于维持局部 pH 环境，促进反应进行。这种特性抑制了 HER，为CO₂在全 pH范围内高效还原创造有利条件。

要点三：深入探究反应机理，明晰催化关键因素

本研究结合原位傅里叶变换红外光谱（FT-IR）实验和密度泛函理论（DFT）计算揭示了不同环境下的CO₂还原机理。原位 FT-IR 检测到CO₂转化为 CO 过程中关键中间体COOH 的存在，在酸性电解液中，水和COOH 中间体吸收峰增强，表明在 Ni-NPs (111) 活性位点上，水的解离与CO₂质子化达到动力学平衡，利于生成COOH 并抑制 HER。DFT 计算显示，Ni-NPs (111)/N-C 模型生成COOH 和CO 的吉布斯自由能低于其他模型，CO₂转化为COOH 的自由能变化仅 0.16 eV，揭示了 Ni-NPs (111) 位点在促进CO₂质子化、降低反应能垒中的关键作用。

Enhanced pH-universal industrial-level CO₂ reduction in N-doped carbon with nickel particles active sites via accelerated proton transport kinetics

李晶，宁夏大学教授（准聘），博士生导师，中科院“西部之光”青年学者，宁夏优秀青年基金获得者，入选“宁夏科技人才托举工程”。从事金属（氧化物）微纳电极材料的精准合成及其在电化学催化领域中的应用。主持国家自然科学基金2项，在ACS Catal., Chin Chem Lett.，Green Chem.，J. Mater. Chem. A.，small，carbon等国际学术期刊发表论文30余篇。

慕海强，宁夏大学硕士研究生，以第一/第二作者在J. Colloid Interface Sci.，Inorg. Chem. Front.，carbon等国际学术期刊发表论文5篇。