电催化CO2还原(ECR)技术可以利用可再生的清洁能源来实现人为的碳闭环。然而，由于CO2的分子结构稳定，且在电极表面容易发生析氢反应(HER)，以及CO2可直接转化为多碳产物(乙烯、乙醇等)，这导致高过电位和低选择性。因此，开发廉价且高效的电催化剂是实现有效ECR和产物高选择性的关键。近日，中国矿业大学徐朗课题组开发了一种Ni-Gd-N三元掺杂多孔碳黑电催化剂，其中Ni纳米颗粒封装在碳层内，Ni(I)-N位点暴露在碳层外。结构表征和密度泛函理论(DFT)计算表明，镧系元素Gd的引入优化了Ni在碳基质中的状态，在很大程度上降低了Ni纳米颗粒的结晶度，而且也显著增强了Ni(I)活性位点对CO2分子的活化能力和对关键中间体*COOH的吸附。此外，由于Gd原子的极化，提升了Ni 3d轨道的d带中心(从-2.584 eV增加到-1.686 eV)，进而大大提高了Ni原子三维轨道中电子的本征活性。结合高选择性的Ni(I)活性位点(类似于单原子催化剂)与Ni纳米颗粒的高导电率，在-0.91VRHE下该催化剂上CO法拉第效率为97%，CO部分电流密度为308 mA cm-2；该电催化剂在100小时稳定性试验中也显示出优异的耐久性。这项工作提出了对金属间调制效应的新见解，并提供了一种增强过渡金属基催化剂的内在活性的新策略(通过加入镧系金属)。Lanthanoid Gd Engineers Local Electron Densities of Ni 3d Orbitals for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction. Angewandte Chemie International Edition, 2022. DOI: 10.1002/anie.202201166
