近日，我校生物与化学工程学院李雷教授团队在二氧化碳电催化还原方面取得重要进展。以嘉兴大学为第一单位在材料类国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（SCI一区，自然指数期刊，IF=18.5），发表了题为《Impact of Confined and Exposed Nickel Nanoparticles on Electronic Modulation of Atomically Dispersed Nickel for Electrocatalytic Reduction CO2 to CO with an Ultra-Wide Voltage Range》的研究性论文。论文第一（共一）作者为我校研究生杨震玉、白云云，通讯作者为我校李雷教授、宋利副教授。
利用可再生能源驱动的电化学CO₂还原反应（CO₂RR）制备高附加值化学品是实现碳循环的有效策略。CO因其低反应能垒和工业应用价值成为理想产物，但水溶液中的析氢反应（HER）和可再生能源电压波动严重限制了CO选择性和工业适用性。单原子催化剂（SACs，如Ni-N-C）因高原子利用率和高活性成为研究热点，目前多数M-N-C电催化剂仅在窄电压窗口（200-300 mV）内实现90%以上的CO法拉第效率，引入金属纳米颗粒（NPs）可以调控SACs的电子结构并增强催化性能，但NPs的作用机制尚不明确，尤其是其位置（限域/非限域）对协同效应的影响亟待阐明。
本研究成功开发了一种由Ni单原子（SAs）与限域纳米颗粒（CP）/外露纳米颗粒（EP）组成的混合电催化剂（Ni-SA-CP-EP），用于宽电压窗口下的高效CO2电还原制CO。通过系统的实验和理论计算揭示了不同Ni物种的协同机制：限域Ni CP通过电子调控显著增强Ni SAs活性，将*COOH形成自由能从1.14 eV降至0.766 eV，同时抑制析氢反应（HER）；而外露Ni EP则会加剧HER竞争反应。在流动电解池中更展现出超宽电压适应性（-0.37至-1.57 V，1200 mV范围内FECO > 93%），其中-0.57至-0.97 V区间FECO≈100%，CO分电流密度高达450 mA·cm-2。此外，通过采用0.1 M KOH+ 0.9 M KCl的新型混合溶液，使其在流动电解池中的稳定性增加了接近3倍，且保持了超宽电压范围的选择性基本不衰减。这项工作可以进一步推动以具有波动性可再生电力驱动的CO2RR工业应用，并为设计限域金属纳米颗粒调制的金属SAs催化剂用于其他催化反应提供指导。
该研究成果得到了国家自然基金项目（22278175, 21978111, 22108094）、浙江省自然基金重点项目（LZ24B060001）的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504307