通过使用可再生能源，将CO2电催化还原为有价值的燃料和化工原料是封闭碳循环的有效途径。尽管CO2还原前景可观，但过电位大，电流密度低和产物选择性差等诸多问题仍然阻碍其潜在的应用。因此，开发新型催化剂，电解槽和电解工艺来实现CO2还原的高效率和高选择性。CO2的表面富集的策略可以通过提高局部CO2浓度来提升CO2还原的选择性和转化效率。但尚未得到很好的探索。Ni3N材料具有优异的催化性能，且已有应用于OER 和HER的报道，但应用于CO2RR的报道相对较少。由于Ni3N材料表面碱性位点较多，使其成为可用于CO2RR的潜在催化剂。我们在此利用Ni3N/C做催化剂，通过气相电解将CO2高效率和高选择性的转化为CO。

天津大学的康鹏教授课题组采用简单的程序升温法在氨气气氛中合成了氮掺杂的Ni3N/C催化剂，表面掺氮可以有效地的增加催化剂表面的碱性位点，提高CO2的富集浓度，从而实现CO2还原的高选择性。该催化剂在液相电解中CO的法拉第效率可达85.7%，在气相电解中CO的法拉第效率增加至92.5%，且CO的分电流密度为23.3 mA cm-2。此外，催化剂在长达72小时的稳定性测试中催化性能基本未发生变化。这项成果于近日发表在ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES，通讯作者是康鹏教授，第一作者为侯朋飞。

【图文速递】

图1. Ni3N/C材料的基本表征。

a),b) Ni3N/C 材料的低、高倍率TEM图像。c) Ni3N/C材料的XPS 的Ni 2p谱图。d) Ni3N/C材料的XPS 的N 1s谱图。e) Ni3N/C, NiO/C 和Ni/C材料的XRD图。

图2. Ni3N/C, Ni/C 和NiO/C材料在CO2饱和的0.5 M NaCl溶液中进行电催化测试。Ni3N/C的催化起始电位(-0.51 V vs RHE)较Ni/C的催化起始电位(-0.70 V vs RHE)正移190 mV，表明Ni3N/C材料降低了CO2还原反应的能量势垒。在选定的电解电位区间范围内，CO是主要产物，且在-0.90 V vs RHE下CO法拉第效率达85.7%。相反，Ni/C 和NiO/C 材料的主要产物是H2。

a) 氮掺杂导电炭黑（黑色），Ni3N/C（蓝色），Ni/C（红色）和NiO/C（粉红色）在100 mV s-1扫速下的LSVs。b) Ni3N/C材料的CO和H2的法拉第效率。c) Ni/C材料的CO和H2的法拉第效率。d) NiO/C材料的CO和H2的法拉第效率。e) Ni3N/C和Ni/C的CO的分电流密度。f) Ni3N/C和Ni/C的Tafel曲线图。

图3. 流动槽的气相电解。在阳极通道中去离子水的流速为40 sccm，在阴极中，70%湿度的CO2流速为30 sccm。槽压为2.6 V时，CO2开始还原。槽压为2.8 V时的长时间电解过程中，CO的法拉第效率高于90%，催化剂的稳定性和选择性未发生显著衰减。

a) 扫速为5 mV s-1 LSV。b) CO（蓝色）和H2（红色）的分电流密度。c) 不同槽压下CO和H2的法拉第效率（条形图上对应的阴极电位是对应于NHE的值）；CO（蓝色）和H2（红色）的法拉第效率。d) 在槽压为2.8 V下的72 h电解曲线。

图4. Ni3N/C, Ni/C, NiO/C和C的CO2-TPD吸附曲线。Ni3N/C表面存在强碱性位点，Ni/C表面存在一个弱吸附峰和一个强吸附峰，NiO/C表面存在一个中强和强吸附峰。Ni3N/C催化剂表面碱性位点的增加，使得其对CO2的吸附增强，从而实现CO2气相电解过程中的高选择性和高效率。

【小结】

基于Ni3N/C材料表面碱性位点的增加，使Ni3N/C作为高选择性催化剂实现了将CO2还原为CO,并且在水相中CO的法拉第效率达85.7%。 当Ni3N/C材料应用于气相电解时，CO法拉第效率增加到92.5%，CO电流密度达23.3 mA cm-2。相反，Ni/C与NiO/C材料不适用于CO2还原。CO2的富集策略与气相电解的有机结合，不仅可以提高CO2还原性能，还广泛适用于其他CO2还原催化剂。