研 究 背 景

当前全球工业化与城市化持续推进，化石燃料的大量消耗不仅加剧不可再生能源枯竭，更引发了严峻的温室气体排放危机。二氧化碳占全球温室气体排放总量的约 74%，大气浓度已突破 400 ppm，成为驱动全球变暖与气候变化的核心因素。在众多碳减排与资源化技术中，电化学二氧化碳还原（CO₂RR）凭借常温常压运行、可直接耦合风光等间歇性可再生能源、产物灵活可调等优势，成为最具发展前景的碳转化技术之一，可将 CO₂转化为 CO、甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等高附加值燃料与化学品。然而，CO₂分子本征稳定性高，反应动力学缓慢，同时存在析氢副反应竞争，高效低成本电催化剂的开发是推动该技术产业化的核心瓶颈。

贵金属催化剂虽性能优异，但稀缺昂贵、稳定性不足，难以大规模应用。多孔碳材料凭借成本低廉、比表面积高、导电性优异、化学稳定性好、孔结构可调等优势，成为极具潜力的催化载体；但本征纯碳材料催化活性有限，活性位点不足。通过引入过渡金属、p 区金属以及非金属杂原子对多孔碳进行改性，可精准调控电子结构与活性位点配位环境，优化反应中间体吸附能，同时分级多孔结构可强化传质，大幅提升催化活性与选择性。近年来该领域研究进展迅猛，各类新型掺杂体系不断涌现，但缺乏对金属 / 非金属改性多孔碳催化体系的系统性梳理，尤其对双位点协同、多金属耦合效应以及催化剂 - 反应器适配性的总结存在空白。全面系统地梳理了过渡金属、p 区金属、非金属掺杂及其杂化多孔碳体系的 CO2电还原研究进展，深入阐明结构 - 性能关联机制，提炼催化剂设计原则，并展望了未来发展方向。

成 果 介 绍

阿曼卡布斯苏丹大学Rashid Al Hajri等人系统构建了金属与非金属改性多孔碳 CO₂电还原催化剂的完整研究框架，覆盖从反应机理、材料体系、设计原则到反应器工程的全链条内容。文章首先阐明了 CO₂电还原的基础理论，梳理了 C₁（CO、甲酸、甲烷、甲醇）与 C₂₊（乙烯、乙醇、乙酸等）产物的反应路径与决速步骤，明确了*COOH、*OCHO、*CO 等关键中间体的吸附强度对产物选择性的调控作用；同时对比了 H 型电解池、气体扩散电极流动池、膜电极组件（MEA）、微流控反应器四类典型构型的优缺点，指出 H 型池适用于基础筛选与机理研究，而 GDE 流动池与 MEA 系统更贴近工业化运行条件，多孔碳的孔结构、表面润湿性直接影响器件级传质与稳定性。在此基础上，文章按金属元素分类，逐一系统阐述了各类掺杂多孔碳催化剂的合成策略、结构调控与催化性能。

针对镍基体系，完整覆盖了 MOF 衍生单原子、分级多孔结构、纳米颗粒封装、杂原子共掺杂、配位环境工程等设计路径，证实 Ni–N_x位点可高效稳定*COOH 中间体，实现 90%~99% 的 CO 法拉第效率，通过轴向磷、氟掺杂或降低配位数可进一步降低反应过电位、提升电流密度。针对铁基体系，梳理了孤立 Fe–Nₓ位点、S/B/P/F 杂原子共掺杂、双原子与双金属协同等调控策略，阐明轴向氧、氮配体可通过下调 d 带中心优化中间体吸附，实现低过电位下的高 CO 选择性。

针对铜基体系，重点分析了氧化亚铜 / 铜杂化、纳米颗粒限域、单原子配位调控等结构对产物选择性的影响，揭示 Cu 基催化剂独特的 C–C 偶联能力，可通过价态调控、界面工程定向生成乙烯、乙醇、丙酮等多碳产物。此外，文章还系统总结了锰、锌、锡、铟、铋、钴等其他金属改性多孔碳体系的研究进展，其中 Zn、Sn、In、Bi 基体系偏向甲酸产物，Mn、Co 基体系偏向 CO 生成，为不同产物目标的催化剂选择提供了全面参照。

针对多金属与双位点体系，文章重点阐释了协同催化机制，包括双原子位点的功能分工、界面电荷重分布、中间体溢流效应等，证明双金属 / 双位点体系可突破单金属催化剂的性能上限，实现更高的活性、选择性以及可调的合成气比例。在材料体系梳理的基础上，文章提炼出四大核心设计原则：一是通过杂原子掺杂进行电子调控，调节中间体吸附能；二是通过配位环境工程，包括配位数调控、轴向配体引入、不饱和位点构建，优化反应动力学；三是通过分级孔结构、表面润湿性调控与限域效应，强化传质与器件适配性；四是通过双位点与多金属协同，拓展反应路径与产物范围。

最后，文章客观分析了当前领域面临的挑战，包括合成方法难以规模化、活性位点均匀性不足、器件级长周期稳定性欠缺、真实活性位点识别困难等，并指出未来需向可规模化合成、原位工况表征、机器学习辅助筛选、反应器 - 催化剂一体化设计方向发展。该成果以“Unveiling the Potential of Metal and Non-Metal Modified Porous Carbon for the Electrochemical Reduction of CO₂”为题发表在Carbon Energy期刊上。

研 究 亮 点

1. 全体系全覆盖的系统梳理：首次全面覆盖过渡金属、p 区金属、非金属单掺杂及多金属 / 杂原子共掺杂多孔碳催化体系，涵盖十余种金属元素与多种非金属掺杂剂，建立了完整的材料性能数据库，为不同产物目标的催化剂选型提供全面参考。

2. 深度揭示构效关系机制：从电子结构、配位环境、微环境传质、协同效应四个维度，系统阐明掺杂位点空间排布与电子相互作用对 CO₂RR 性能的调控规律，提炼出可复用的催化剂理性设计原则。

3. 聚焦双位点与多金属协同效应：重点突出双原子位点、异质结、多金属耦合等新兴体系的协同机制，突破单金属催化剂的性能认知边界，为高活性高选择性催化剂设计提供新方向。

4. 衔接实验室研究与工业化应用：不仅梳理材料本征催化性能，更系统对比不同电解池构型的适配性，分析多孔碳结构对器件级传质、三相界面稳定性的影响，填补了从实验室基础研究到工业化应用的认知空白。

5. 前瞻性的发展方向指引：针对性指出合成规模化、原位工况表征、机器学习辅助筛选、反应器 - 催化剂一体化设计等未来核心研究方向，为后续研究提供清晰的路线图。

图 文 解 析

图 1 CO₂电还原典型产物的反应路径示意图

图 2 氮掺杂碳负载镍单原子催化剂的制备、结构表征与电化学性能图

图 3 不同孔结构镍基氮掺杂碳催化剂的合成、形貌与性能对比图

图 4 碳纳米管限域镍纳米颗粒催化剂的制备、形貌与产物选择性图

图 5 镍基催化剂的配位环境调控与杂原子共掺杂结构及性能图

图 6 铁基氮氧共掺杂碳催化剂的制备、形貌与反应自由能图

图 7 铁基催化剂的杂原子掺杂与轴向配位结构及电化学性能图

图 8 双原子与双金属铁基催化剂的结构表征与性能图

图 9 铜基多孔碳催化剂的结构表征与电化学性能图

图 10 铜单原子催化剂的结构调控与多碳产物选择性图

图 11 锰基、锡基改性多孔碳催化剂的结构与性能图

图 12 铟基配位调控与铋基多孔碳催化剂的结构性能图

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图 13 铝基、银基改性多孔碳催化剂的结构与器件性能图

图 14 硫桥双金属铜 - 镍与铁 - 镍双位点催化剂结构图

研 究 小 结

本文全面系统地综述了金属与非金属改性多孔碳材料在 CO₂电还原领域的研究进展，从反应基础理论、各类催化材料体系到设计原则与应用前景形成了完整的知识体系。研究表明，通过在多孔碳骨架中精准引入金属活性位点与非金属掺杂剂，可在原子层面调控电子结构与中间体吸附能，结合分级孔结构的传质强化效应，实现对 CO、甲酸、多碳产物的高选择性转化，其性能可媲美甚至超越贵金属催化剂，同时具备显著的成本与稳定性优势。文章提炼的电子调控、配位工程、微环境优化、协同催化四大设计原则，为下一代高效 CO₂RR 催化剂的理性设计提供了清晰的理论指引。当前该领域仍面临合成方法难以规模化、活性位点精准控制不足、器件级长周期稳定性欠缺等挑战，未来随着原位表征技术、机器学习辅助筛选、反应器 - 催化剂一体化设计的发展，金属与非金属改性多孔碳催化剂有望推动 CO₂电还原技术走向规模化工业应用，助力双碳目标的实现。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Unveiling the Potential of Metal and Non-Metal Modified Porous Carbon for the Electrochemical Reduction of CO₂

文章研究方向：

电催化

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70309

DOI: 10.1002/cey2.70309

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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