電催化CO₂還原反應(CO₂RR)與間歇性可再生能源(即太陽能或風能)相結合，通過減少CO₂排放并將其轉化為增值產品，為人工閉合碳循環提供了一種可持續的方法。然而，CO₂的化學惰性和競爭性析氫反應(HER)導致CO₂RR的低活性和選擇性，嚴重阻礙了這項技術的實際應用。因此，在分子尺度上精確控制多相催化劑結構，以實現CO₂RR中間體的最佳吸附-解吸行為具有重要意義。

近日，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉和余愛萍等通過DFT篩選，設計了一種準共價耦合的Ni-Cu原子對(Ni/Cu-N-C)，其具有良好調節的Ni 3d電子結構，能夠用于高效CO₂RR。

通過理論篩選，研究人員設計了一種新型Ni-Cu雙原子中心CO₂RR電催化劑，并且在*COOH吸附能和*CO解吸能之間取得了理想的平衡關系。通過STEM結合EELS映射、XAFS和理論計算系統地研究了原子對構型的結構特征，揭示了共價鍵合的Cu使Ni 3d軌道構型朝著加速*COOH吸附和降低水離解動力學的方向調整。這些獨特的特性使開發的Ni/Cu-N-C催化劑相對于其單原子催化劑具有優異的催化活性、選擇性和穩定性。

因此，Ni/Cu-N-C催化劑表現出優異的催化活性和選擇性，在-0.6 V vs RHE下，CO₂還原為CO的最大法拉第效率為97.7%，周轉頻率達到創紀錄的20695 h^-1。此外，Ni/Cu-N-C在-0.5至-1.2 V的寬電位范圍內表現出80%以上的FE_CO值，并且其在50小時連續運行期間可以保持近100%的初始電流密度和FE_CO。

這些結果證明了雙原子中心電催化劑作為CO₂RR的高效材料的巨大前景；目前的工作不僅提出了一種新的策略來刻意調整原子分散催化劑的催化性能，而且還提供了對多原子多相催化劑中協同效應的基本見解。

Quasi-Covalently Coupled Ni-Cu Atomic Pair for Synergistic Electroreduction of CO₂. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00937