第一作者：Zhenfang Zhang
通讯作者：Tianyi Ma
通讯单位：澳大利亚皇家墨尔本理工大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202509895
近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学马天翼教授团队在国际知名期刊Small上发表题为《Architecting Hierarchically Porous Electrocatalyst for Direct Liquid Carbon Utilization》 的最新研究成果。该工作围绕集成式CO2捕集与电催化利用（CCU） 展开，设计并构筑了一种分级多孔氮掺杂碳负载镍催化剂（Ni-HP），实现了基于KOH捕集体系的高效CO2捕集与转化。该催化剂不仅展现出超过90%的CO法拉第效率（FE），还在连续循环运行超过60小时后依然保持稳定的合成气（syngas）生产性能，为可再生能源驱动的模拟烟道气CO2资源化利用提供了新的解决方案。
随着人类活动引起的大量二氧化碳排放，温室效应与气候变化问题日益严峻。传统的碳捕集与封存（CCS）虽可暂时降低排放，但能耗高、经济性差。相比之下，碳捕集与利用（CCU） 技术可将CO2转化为高附加值化学品或燃料，实现“从废气到资源”的循环利用。然而，在CO2转化过程中，能量损耗、活性位点不足及传质受限等问题仍是主要瓶颈。因此，开发一种具有高比表面积、丰富活性位点及快速质量传输能力的催化材料，对于实现液体CO2的原位高效电催化转化至关重要。
本研究的出发点在于，通过结构工程与元素掺杂的协同设计，构筑兼具层次化孔道结构与均匀活性位点的催化剂，以提升反应中液态CO2分子的吸附与活化效率。
主要创新点包括：
(1) 分级多孔结构设计：利用ZIF-8为模板，经Ni2+吸附与高温碳化获得Ni-HP，实现了多级孔道的构建，大幅提升反应物传输速率。
(2) 氮掺杂与Ni-Nx活性位点形成：氮原子的引入促进Ni物种在碳骨架中的稳定分散，形成Ni-Nx结构，有效提升CO2的电化学还原活性。
(3) 高稳定性与高选择性：在–100 mA·cm-2下，CO的法拉第效率超过90%，并能在模拟烟气环境下连续工作60小时，展现出优异的循环耐久性。
下图展示了Ni-HP催化剂的合成路线与结构表征：
图(a) 示意了Ni-HP的合成过程：首先以ZIF-8为模板，通过Ni2+离子吸附形成Ni/ZIF-8中间体，随后经高温碳化获得层次化多孔结构的Ni-HP。该设计实现了活性位点的富集暴露与快速传质通道的构建。图(b–f) 展示了Ni-HP的形貌与元素分布特征：SEM与TEM图像表明其呈多孔网络状结构；元素映射结果进一步确认了C、N、Ni三者的均匀分布。
图(a-i) 为材料的结构与电子性质分析：XRD、XPS及XANES等结果共同验证了Ni-Nx键合结构的形成，同时BET测试显示Ni-HP具有最高的比表面积和孔隙率，为CO2反应提供了充足的传质通道与活性位点。
图(a-i) 展示了催化剂的电催化活性、电化学动力学以及稳定性指标。
该研究系统地揭示了分级多孔结构与Ni–Nx活性中心在CO2电还原过程中的活性位点暴露和传质增强的协同作用机制，不仅实现了高效、稳定的CO生成反应，还为CO2捕集与电化学转化一体化体系提供了新的设计思路。未来，该策略有望拓展至局部反应微环境的进一步调控，用于加强集成式CO2捕集与催化转化效率，从而为构建绿色碳循环能源体系奠定基础。
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