光催化CO₂还原反应（CRR）在抑制人为CO₂排放方面具有广泛的应用前景，然而，迄今为止提高光催化剂活性和调整产品选择性仍然是光催化CRR实际应用面临的挑战。

近日，中科院理化技术研究所张铁锐研究员报道了一种在富含缺陷的四方氧化锆载体上构建Ni原子催化剂的简单策略。

文章要点

1）研究人员以Ni(NO₃)₂·6H₂O、Zr(NO₃)₄·6H₂O和(NH₄)₂CO₃为光催化剂前驱体，制备了Ni-Zr溶胶-凝胶。然后将Ni-Zr溶胶-凝胶在70 °C加热12 h，导致(NH₄)₂CO₃缓慢分解，形成具有多孔结构的Ni-Zr氢氧化物。Ni-Zr氢氧化物在600 °C煅烧后转化为Ni-Zr氧化物，在此过程中残留的(NH₄)₂CO₃和H₂O被完全去除。最后，用稀盐酸刻蚀Ni-Zr氧化物，去除水溶性或表面NiO_x残留物，制得Ni-SA-_x/ZrO₂光催化剂。其中x表示合成过程中Ni盐相对于Zr盐的重量百分比。

2）研究人员考察了各种Ni-SA-_x/ZrO₂光催化剂在光照条件下CO₂还原为CO的活性/选择性，其中Ni-SA-5/ZrO₂光催化剂具有良好的活性和CO选择性(92.5%)。

3）详细的表征结果显示，Ni单原子被缺陷ZrO₂载体中的氧空位锚定，从而使光催化剂在使用过程中具有良好的稳定性。原位漫反射红外傅里叶变换（DRIFT）光谱和密度泛函理论（DFT）计算证实，Ni单原子显著降低了CO生成的势垒，抑制了伴随的水裂解反应中的H₂析出，从而控制了生成CO的反应路径。

研究结果为富含过渡金属SAC中心的光催化剂选择性还原CO₂为CO提供了合理的设计思路。

Xuyang Xiong, et al, Photocatalytic CO₂ Reduction to CO over Ni Single Atoms Supported on Defect-Rich Zirconia, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202002928

https://doi.org/10.1002/aenm.202002928