将CO2电化学还原为碳基燃料和化学品是碳捕获、利用和储存(CCUS)技术的重要组成部分，在可再生能源储存和减少CO2排放方面具有广阔的应用前景。其中，在众多CO2RR反应产物中，CO在工业中具有重要应用。然而，由于CO2(806 kJ mol-1)的强化学键合强度和竞争性析氢反应(HER)，实现高效和选择性CO2RR反应具有巨大挑战。
虽然一些贵金属催化剂如金(Au)和银(Ag)具有高CO选择性，但它们的高成本和较低的电流密度限制了它们的实际应用。因此，有必要构建低过电位、高电流密度的非贵金属基催化剂来代替贵金属来催化CO2选择性还原为CO。近日，中国科学技术大学宋礼和何群等报道了一种与吡咯氮和吡啶氮配位的高效Ni基单原子催化剂(Ni-N-C)，并将其用于催化CO2还原为CO。实验结果表明，所制备的Ni-N-C催化剂在-0.7 VRHE下的CO法拉第效率(FE)达到98.5%、CO部分电流密度为37.6 mA cmgeo-2，以及在-0.7/-1.0 VRHE下具有37600/274000 site-1 h-1的TOF值。此外，Ni-N-C还具有优异的稳定性，在电流密度为450 mA cmgeo-2下，可以持续稳定工作60小时，并且FECO一直保持在96%以上。理论计算表明，强CO单吸附有利于第二CO(形成双CO吸附态)的吸附优化，同时，第一CO吸附对不饱和Ni中心表现出良好的能量效应。为了理解这种能量效应，计算了吸附前后Ni 3d轨道和CO分子轨道的投影态密度(PDOS)。与NiN4相比，Ni-N2较高的d带中心可以形成更强的金属-CO键。然后，分析了单CO吸附态NiN2构型(NiN2-CO)对CO2RR的影响。第一CO吸附降低了Ni的d带中心，从而降低了对第二CO吸附的偏好。具体而言，NiN2-CO的*CO2-*COOH-*CO路径的自由能下降，CO在NiN2-CO上的解吸变得比Ni-N2更容易；并且单CO吸附抑制了Ni-N2上的析氢反应(HER)，表现为*H的自由能(ΔG)增加。此外，第二CO吸附可以产生比CO脱附更大的能垒，这意味着发生在Ni-N2位点的单CO吸附导致最优的CO2RR反应。Asymmetric Dinitrogen-coordinated Nickel Single-atomic Sites for Efficient CO2 Electroreduction. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2
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