创纪录！NiCu原子对电催化，陈忠伟院士JACS

陈忠伟院士团队在JACS发表关于NiCu原子对电催化CO2RR的研究，所开发催化剂在-0.6 V下具有创纪录的20,695 h?1周转频率和高法拉第效率（97.7%用于CO生产）。具体介绍如下：研究背景过度使用化石燃料导致二氧化碳排放，引发全球变暖等问题。电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）结合可再生能源，可减少排放并转化为增值产品，实现人工闭合碳循环。但CO2RR存在低活性和选择性问题，主要源于CO2的化学惰性和竞争性的析氢反应（HER）。单原子催化剂（SAC）为CO2RR电催化提供新机会，M - N - C（M代表过渡金属）结构的热解SAC已被探索用于催化CO2RR。Ni - N - C SACs成本低且选择性良好，但第一次质子耦合电子转移的动力学缓慢，限制了实际应用。构建原子对结构可调控原子位点催化行为，但这一概念仍处于起步阶段。研究内容理论筛选与设计：通过基于分子级原位活性位点理论，首次实现一种新的Ni - Cu原子对结构以提高CO2RR性能。结构表征系统表征和理论模型表明，二次铜金属的掺入将Ni 3d轨道能量正向移动到费米能级，加速了速率决定步骤（*COOH的形成）。Cu对竞争性析氢反应的本征惰性，导致Ni - Cu部分上的水离解需要相当大的反应势垒。通过原子分辨率STEM及其EELS、XAFS和理论计算，研究了原子对构型的结构特征。性能测试所开发的Ni/Cu - N - C催化剂表现出优异的催化活性和选择性，在 - 0.6 V（vs RHE）下具有创纪录的20,695 h?1周转频率和高法拉第效率（97.7%，用于CO生产）。在 - 0.7 V的固定电位下，NiCuN6上产生CO的电流 - 时间响应稳定，且相应的法拉第效率也较为稳定。研究意义该研究提出了一种新的策略来调控原子分散催化剂的催化性能，提供了对多原子多相催化剂中协同效应的基本理解。证明了双原子中心电催化剂作为CO2RR高效材料的巨大前景，开发的Ni/Cu - N - C催化剂相对于其单原子催化剂具有更优异的催化活性、选择性和稳定性，其CO2RR的TOF在0.6 V时远远超过了包括贵金属催化剂在内的多相电催化剂。