尽管大多数Ni基单原子催化剂（Ni-N-C）的法拉第效率（FEs）在电化学还原CO₂（CO₂RR）为CO方面都取得了令人满意的结果（一般>90%），但其较高的过电位（>600 mV vs.RHE）仍然限制了实际应用，这意味着催化CO₂RR所需的能量消耗较高。

结合Ni-N-C和Fe-N基催化剂的优点，西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所Jordi Arbiol，中科院高能物理研究所Lirong Zheng，德国于利希研究中心Pengyi Tang报道了制备了一种准双星Ni/Fe催化剂，从而在CO₂RR过程中实现高选择性和低过电位。

文章要点

1）一方面，由于CO键合较弱，Ni-N-C催化剂具有快速脱附*CO（CO*→CO+*）的能力，而Fe-N活性中心由于第一质子耦合电子转移速度快，通常对CO₂RR表现出较低的过电位。同时，催化剂中紧密定位的Fe、Ni活性中心之间的协同作用可起到纳米反应器的作用，显著影响两个分离活性中心的不同反应步骤，从而提高CO₂RR活性和选择性。此外，在特定的环境中，Ni中心附近Fe的存在会影响两个活性中心之间的电子密度和构型环境，从而促进CO₂RR过程中中间体的吸附和脱附。

2）研究人员通过一锅溶剂热合成，代替复杂的多步掺杂过程，通过合理控制Zn基IRMOF-3中Ni和Fe的添加量，制备了三元金属-有机骨架（MOFs）。然后通过简单的热解形成相邻的Ni和Fe双活性中心。

3）实验结果表明，优化后的Ni₇/Fe₃-N-C样品在较低的过电位（390 mV vs.RHE）下表现出良好的CO选择性（FE_CO达到98%），优于单金属催化剂（Ni-N-C和Fe-N-C催化剂）和其他先进的单/双原子催化剂。

4）密度泛函（DFT）计算结果表明，与Ni-N-C催化剂相比，这种具有相邻Ni和Fe中心的双金属催化剂更有利于COOH*的生成。此外，Ni/Fe-N-C催化剂不仅可以促进CO*的脱附，而且与Fe-N-C相比，还可以限制不需要的HER副反应，从而实现对CO₂RR的双赢活性。因此，出色的催化活性归因于相邻Ni和Fe活性中心之间的协同效应，在吸附和脱附过程中对不同中间体的结合能起着重要的调节作用，影响着CO₂RR的不同反应步骤。

研究工作不仅证明了具有邻近双金属单原子的催化剂是极有前途的CO₂RR电催化剂，而且揭示了这种双金属中心可以很好地作为纳米反应器，影响不同活性中心的不同反应步骤。

参考文献

Ting Zhang, et al, Quasi-Double-Star Nickel and Iron Active Sites for High-Efficient Carbon Dioxide Electroreduction, Energy Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/D1EE01592C

https://doi.org/10.1039/D1EE01592C