文章导读

镍单原子催化剂已被广泛用于CO₂还原领域，但合成工艺复杂及大电流密度下稳定性差等问题制约了其实际应用。分散性优异的镍纳米颗粒制备简便、高电流密度下催化性能更加稳定，是极具潜力的替代方案。华东理工大学王际童团队在ENG. Chem. Eng.发表论文，设计并制备了一种多级结构催化剂NiNP-BCN@C，以中空棒状碳材料为基底，将镍纳米颗粒封装于氮掺杂碳壳层内部。该中空棒状结构可大幅降低体相镍的含量，使其在催化剂表面富集，可以最大限度暴露镍纳米颗粒活性位点；氮掺杂碳壳层能够调控金属镍的电子环境，抑制竞争的析氢反应，同时促进CO₂活化。在H型电解池中，该催化剂在可逆氢电极电位−0.83V条件下，CO法拉第效率超90%，且可稳定运行32h。流动电解池测试结果显示：电流密度达300mA·cm^-2 时，CO法拉第效率高于98%，对应的TOF高达93579h^-1。原位傅里叶变换红外光谱检测到*COOH、COO^-等关键中间体的特征信号显著增强，证明催化剂对CO₂的吸附与活化能力大幅提升。

文章亮点

形貌与结构优化，物相与化学态明晰

催化剂保持完整中空棒状结构，镍纳米颗粒被约3.84nm碳层均匀包覆、粒径均一且无明显团聚；碳壳既能高温下抑制颗粒迁移，又可避免酸洗流失，结构稳定性优异，同时材料石墨化程度高，导电性能更佳。XRD、XPS、XAFS多重表征证实，镍主要以零价金属纳米颗粒存在，少量与碳壳中的氮形成配位键，清晰阐明活性物种的存在形式，为构效关系分析提供了依据。

电化学性能优异，耐低浓度CO₂工况

H型电解池内CO法拉第效率超90%，可连续稳定运行32h；流动电解池在140~300mA·cm^-2工业级大电流区间，CO法拉第效率高于98%，周转频率高达93579h^-1，活性、选择性与长效稳定性兼备。采用40%低浓度CO₂模拟工业废气，在300 mA·cm^-2大电流下，仍保持近98%的高选择性，受传质限制小，适配实际工业应用场景。

催化机理阐明，验证性能提升关键

结合原位红外、阻抗、双电层电容、DFT理论计算，证实氮掺杂碳壳可强化CO₂吸附活化、抑制析氢副反应，明确反应中间体演变与控速步骤，完整揭示了催化作用机制。通过纯碳载体、镍单原子、无碳壳镍纳米颗粒三类对比样品，直观证明了碳包覆以及氮掺杂是提升选择性和稳定性的核心关键。

亮图解读

图1.展示了催化剂的电化学性能、稳定性与工业工况表现。该催化剂在H型电解池中选择性优异，可稳定运行32h。流动池测试中其在大电流、低浓度 CO₂条件下仍保持高选择性，综合性能优于多数同类镍基催化剂。

图2.从动力学、界面阻抗、活性位点及反应中间体解析催化机理。该催化剂电荷传输快、活性位点丰富，对CO₂吸附活化能力更强。结合理论计算，明确碳壳调控反应路径、抑制析氢副反应的协同作用机制。

（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-026-2668-0