一、研究背景

电化学还原CO₂制CO是实现碳循环和负碳排放的重要路径，但在工业级电流密度下兼顾高活性与高选择性仍是核心挑战。金属单原子催化剂（SACs）因原子利用率高、配位环境可调而备受关注，但其性能的充分发挥很大程度上取决于载体的孔结构、形貌与表面性质，因此载体工程成为提升SACs性能的关键。ZIF-8衍生炭凭借周期性隔离的金属节点和热解过程中的Zn挥发，成为SACs的理想载体，但其固有的紧密堆积微孔结构导致活性位点埋藏深、传质阻力大；而过度造孔又易引发骨架坍塌与金属团聚。如何在保持形貌完整性的同时构建开放传质通道并实现单原子均匀负载，成为制约CO₂RR性能提升的一大难题。

二、工作简介

近日，华东理工大学王际童教授团队采用双配体驱动形貌调控策略，构筑了一种纺锤形空心层状Ni单原子催化剂Ni-DMC-1，其由5-氨基四氮唑（5-AT）与2-甲基咪唑在Zn²⁺桥连下形成的双齿金属配合物经两步炭化制得。在适量5-AT条件下合成的Ni-DMC-1催化剂具有开放的层间通道和空心纺锤形结构，不仅暴露了大量Ni单原子位点，还显著提升了传质效率。在H型电解池中，Ni-DMC-1在-0.93 V（vs. RHE）下CO法拉第效率最高达95.7%，在-1.13 V下CO分电流密度达26.2 mA cm^-2；在流动池中，120～320 mA cm^-2范围内FE_CO≥99%，展现出优异的工业级电流密度适应性。原位FTIR与DFT计算表明，*COOH形成为决速步（ΔG=1.15 eV），而CO脱附能垒仅0.18 eV，利于活性位点释放并抑制HER。此外，以Ni-DMC-1为阴极的Zn-CO₂电池峰值功率密度达1.25 mW cm^-2，0.5 mA cm^-2下稳定充放电45 h，可驱动室内时钟显示。这项工作为碳基单原子催化剂的形貌调控提供了新思路，也为CO₂转化与能源存储的集成应用提供了新平台。

三、核心图文解析

图1 Ni单原子催化剂Ni-DMC-1制备流程示意图

图2 (a，b) Ni-DMC-1 的 SEM 显微照片；(c，d) Ni-MC 的 SEM 显微照片；(e，f) Ni-DMC-2 的 SEM 显微照片

扫描电子显微镜（SEM）表征结果表明：Ni-DMC-1 层间存在间隙，层间不再紧密堆叠；这些层虽厚度增加，但仍保持整体簇状结构。相比之下，Ni-MC 呈现紧密堆叠的结构，而 Ni-DMC-2 则显示出分散的片状形貌。因此，添加适量双齿配体不仅可在不破坏整体形貌的前提下增加层状结构的暴露表面积，还能促进后续金属在催化剂表面的负载。

图3 (a) 不同形貌的 Ni 单原子催化剂的 FE 曲线；(b) Ni-DMC-1 在不同电压下的 FE 曲线；(c) 不同形貌催化剂的 CO 分电流密度；(d) 不同形貌 Ni 单原子催化剂的总电流密度；(e) Ni-DMC-1 在 H 型电解池中的稳定性测试

Ni-DMC-1在H型电解槽中的催化性能测试表明：在-0.93 V（相对于RHE）时，对CO₂转化为CO的选择性最高，法拉第效率达到95.7%。在-0.63 V至-1.03 V的电压范围内，其法拉第效率始终保持在90%以上，展现出优异的催化选择性。在-1.13 V（相对于RHE）时，Ni-DMC-1的CO分电流密度达到26.2 mA·cm^-2。Ni-DMC-1的中等分散形貌形成了开放通道结构，在活性位点与传质效率之间取得了平衡，因此法拉第效率略低，但电流密度与产率均为最高。

图4 （a）采用Ni-DMC-1正极的 ZCB 电池示意图。(b) ZCB 电池的放电极化曲线及功率密度。(c) 采用Ni-DMC-1正极的 ZCB 电池在不同电流密度下的放电稳定性曲线。(d) 由Ni-DMC-1供电的室内时间显示装置（约1.6 V）照片。(e) 在0.5 mA cm^-2电流密度下循环充放电曲线

Zn-CO₂电池性能测试表明：基于Ni-DMC-1的 ZCB 电池实现了1.25 mW·cm^-2的峰值功率密度。同时，阴极材料Ni-DMC-1在不同电流密度下放电时均表现出稳定的电压平台。通过恒流充放电测试，在电流密度为0.5 mA·cm^-2、充电电位为2 V、放电电位为0.5 V的条件下，进行了45 h的恒流充放电循环测试。在实际应用中，基于Ni-DMC-1的 ZCB 电池可为小型室内时间显示装置供电，展现了其在能量转换应用中的潜力。

四、结论

本研究利用水相ZIF-8骨架，通过引入第二种配体以调控碳基底的形貌，合成出一种中空层状堆叠簇催化剂（Ni-DMC-1）。在H型电解槽中，Ni-DMC-1在电流密度为19.9 mA cm^-2时，最大 FECO 可达95.7%，性能优于未修饰的碳基催化剂。该催化剂在120 mA cm^-2至320 mA cm^-2的宽电流密度范围内，FE_CO 可达99%，展现出强大的催化性能。这种配体调控的合成方法揭示了碳基底形貌对催化性能的关键作用，为设计碳载体金属催化剂提供了指导。进一步地，当将基于Ni-DMC-1的催化剂应用于实际 ZCB 电池时，其在放电期间可表现出1.25 mW cm^-2的最大功率密度，并可在0.5 mA cm^-2的电流密度下完成45 h的循环充放电。作为电源连接的电池可驱动小型室内时钟显示装置，证明了其在实际应用中的价值。

文章信息

Feng-qin Li, Bing-yuan Dai, Hui Xu, et al. The construction of spindle-shaped Ni single-atom catalysts for high-efficiency CO₂-to-CO conversion and Zn-CO₂ battery applications by dual-ligand-driven morphology control[J]. New Carbon Materials, 2026, 41(5): 1211-1224.

李凤琴，代冰圆，徐慧，等.双配体驱动的形态调控：构建纺锤形镍单原子催化剂，用于高效CO₂转CO反应及在Zn-CO₂电池中的应用，新型炭材料（中英文），2026, 41(5): 1211-1224.

DOI: 10.1016/S1872-5805(26)61128-6

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