二氧化碳电还原反应机理有了新认识

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26日，记者从中国科学技术大学获悉，该校国家同步辐射实验室宋礼教授与何群特任副研究员团队，提出对分子型金属镍位点上发生二氧化碳电还原反应机理的新认识。相关成果日前发表在《自然·通讯》上。

电化学还原二氧化碳为碳基燃料和化学品是碳捕集利用与封存技术的重要组成部分，在可再生能源存储和二氧化碳负排放方面具有广阔的应用前景。然而，由于二氧化碳具有很强的化学键强和竞争性氢气析出反应的发生，实现理想的电化学还原二氧化碳催化剂性能极具挑战性。目前，一些具有高一氧化碳选择性的贵金属催化剂，如金和银，可以在水溶液中获得低过电位，但其高成本和低电流密度限制了实际利用潜力。因此，开发低过电位、高电流密度、储量丰富的金属基催化剂替代贵金属催化电化学还原二氧化碳是十分必要和具有挑战性的。

为解决上述问题，研究人员提出一种分子型不对称二氮配位镍单位点催化剂。利用位点的不饱和与不对称特性，实现在电化学过程中的结构自优化，进而提升位点在电化学还原二氧化碳中的本征活性。在研究中，研究团队设计合成了一种具备二氮配位的分子型镍单位点催化剂，并将其用于中性和碱性介质中的二氧化碳电还原反应。

同步辐射X射线吸收谱、发射谱等揭示了催化剂中镍位点的局域配位结构。电化学测试结果表明，二氮配位的分子型镍单位点催化剂在中性和碱性电解液中都可以实现非常高的电化学性能。尤其是碱性中，超过大多数已报道的催化剂。

理论计算研究也表明，在电化学过程中形成的单一氧化碳吸附镍单位点上能够更好地实现关键中间体形成和一氧化碳脱附之间的平衡，这是催化剂高的催化活性的重要起源，从而很好地揭示了其在二氧化碳电还原反应中的催化机理。