近日，新能源动力研究所朱磊教授、黄震院士团队通过构筑三维有序多级孔镍单原子催化剂，显著提升了CO2RR传质效率及CO产物选择性。在此基础上，进一步与CuO催化剂耦合，成功构建了可在大电流密度下运行，且具有高C2+产物选择性的串联催化体系。研究成果“Ordered Hierarchical Ni-N4 Carbon Microreactors Enable Localized CO Feeding to Copper for High-Rate CO2 Electroreduction”发表在Advanced Functional Materials上。硕士研究生刘若天、本科生刘思敏为论文共同第一作者，朱磊教授和智慧能源创新公司杨重庆副教授为共同通讯作者。
电催化CO₂RR高效制备C2+产物，对于推动碳资源高值化利用具有重要意义。当前，Cu基催化剂因其对关键中间体（*CO）适中的吸附强度、能够有效促进C–C偶联，被认为是催化CO2-to-C2+最具潜力的体系之一。然而，其对CO₂分子的初始活化能力相对较差，导致*CO中间体生成速率受限。特别是在高电流密度工况下，催化界面难以维持局域高覆盖度*CO微环境，进而制约后续C–C偶联动力学过程，导致C2+产物选择性较差。
OMC-Zn/Ni形貌与传质行为
针对这一挑战，研究团队设计并构建了具有三维有序多级孔结构的Ni单原子催化剂OMC-Zn/Ni。该催化剂以原子级分散的Ni-N4位点为高效*CO供体模块，可持续向相邻Cu位点提供关键*CO中间体，从而成功实现了工业级电流密度下CO2-to-C2+的高效转化。所构建的有序栅栏状催化框架具有周期性互连骨架结构，其中~ 200 nm的大孔通道显著提升CO₂向催化中心的传质效率，而微孔区域则为Ni–N₄位点提供稳定的锚定环境。有限元仿真证实，OMC-Zn/Ni中有序大孔网络可有效强化CO₂传输并抑制局部CO积聚，从而实现CO的快速连续生成与供给。得益于此，OMC-Zn/Ni催化剂能够在100 mA cm⁻²下稳定运行103 h，CO法拉第效率高达93.1%，同时还促进了CO向相邻纳米颗粒的快速传输，为后续C–C偶联提供了有利条件。
串联催化剂CO2RR性能
研究进一步将其与纳米CuO复合构建串联催化体系，所得材料能够在800 mA cm-2下实现73.5 ± 0.7%的C2+法拉第效率，产物生成速率达1.93 mmol h-1 cm-2，能量效率可达35%，显著优于纳米CuO催化剂。原位拉曼以及红外光谱分析表明，串联催化体系可有效强化Cu位点处CO中间体供给，促进后续C–C偶联反应，从而显著提高C₂⁺产物选择性。结合密度泛函理论计算发现，富*CO的Cu基催化剂可显著降低*CO氢化与C-C偶联反应步骤的能垒，促进CO2-to-C2+的高效转化。
本研究提出了一种具有良好普适性的催化结构设计策略，通过增强反应界面的物质传输能力，有效缓解了高电流密度工况下CO₂RR中的传质限制，提升了体系的能量转化效率与多碳产物选择性。
该研究工作得到了国家自然科学基金委重大项目和上海市市级重大专项的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75252。
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