二氧化碳电催化还原反应（CO2RR）可同时实现二氧化碳的转化利用和可再生清洁电能的有效存储，利于构建可持续发展的碳资源循环利用网络。近年来，该研究团队从催化基础角度开展了有特色和深入系统的CO2电催化还原研究，在纳米Pd基催化剂、金属-氧化物界面等方面取得了一系列研究成果，显著提高了CO2电催化还原的选择性、活性和稳定性（J. Am. Chem. Soc.，Chem. Sci.，J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.，Angew. Chem. Int. Ed.）。
过渡金属-氮-碳复合材料是一类有望替代贵金属的电催化材料，该研究团队近期致力于该类材料的可控制备及其电催化性能研究（Energy Environ. Sci.，Nano Energy，ACS Catal.）。前期研究表明，过渡金属-氮-碳复合材料可将CO2电催化还原生成CO，但随着过电势增加，竞争性的析氢反应(HER)电流急剧增大，造成CO法拉第效率迅速下降，很难获得高的CO分电流密度。因此同时获得高的CO2RR电流密度和法拉第效率是过渡金属-氮-碳复合材料面临的重要挑战。
在本研究中，该研究团队通过热解锌/镍双金属沸石咪唑类骨架材料(ZIF-8), 成功制备出配位不饱和Ni-N位点掺杂的多孔碳材料，其中单分散的Ni物种负载量最高可达5.44 wt%。在该Ni-N催化剂上，CO法拉第效率在-0.53V~-1.03V（vs. RHE）宽电势区间内维持在92.0%~98.0%之间，CO电流密度随过电势增加而增加，在-1.03V（vs. RHE）达到71.5±2.9mA/cm2。表征结果和对比试验表明配位不饱和的Ni-N为活性位点；密度泛函理论计算进一步揭示在NiN2V2 (V表示空位) 位上CO2RR比HER更容易发生，推测NiN2V2可能是CO2RR的活性位。因此，高载量配位不饱和Ni-N活性位同时实现了CO2RR的高电流密度和法拉第效率，打破了过渡金属-氮-碳复合材料上CO2RR选择性和反应速率的“跷跷板”效应限制。
上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、DMTO和中科院先导专项等项目的资助。(文/图 阎程程、李昊博)
