镍基催化剂在催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）中展现出优异的性能，尤其是在选择性和活性方面。近年来，随着单原子催化剂（SACs）和表面调控策略的发展，Ni基催化剂的性能得到了显著提升。
以下将从Ni基催化剂的结构设计、活性位点、反应机制、性能优化以及实际应用等方面进行详细分析。
1. Ni基催化剂的结构设计与合成
Ni基催化剂的性能与其结构密切相关。研究表明，通过调控Ni的配位环境和表面化学性质，可以显著提高其在CO₂RR中的活性和选择性。例如，Yuzhu Zhou等人开发了一种Ni-N-C催化剂，其结构中Ni原子通过N配位形成单原子位点，从而在CO₂RR中表现出高选择性和高电流密度。
此外，Min Wang等人通过表面修饰策略，将Ni纳米颗粒负载在N掺杂的介孔碳（CMK-3）上，制备出N,O共修饰的Ni纳米颗粒/氮掺杂介孔碳（N,O-Ni/CMK3）催化剂，该催化剂在CO₂RR中表现出优异的性能。这种表面修饰策略不仅调控了Ni与中间物种的吸附强度，还显著提高了催化剂的稳定性。
2. Ni基催化剂的活性位点
Ni基催化剂的活性主要来源于其表面的活性位点。研究表明，Ni-N₄、Ni-N₂和Ni-N-C等结构在CO₂RR中表现出不同的催化性能。例如，Xiaogan Li等人开发的Ni-N₄位点通过拓扑化学转化策略，成功保持了Ni原子的分散性，从而在CO₂RR中表现出高选择性和高活性。
此外，Yuzhu Zhou等人发现，Ni-N₂-CO结构在CO₂RR中表现出最低的自由能变化，表明其具有更高的催化活性。这些研究表明，Ni的配位环境和表面化学性质对催化活性具有重要影响。
3. Ni基催化剂的反应机制
CO₂RR的反应机制涉及多个步骤，包括CO₂的吸附、活化、中间体的形成和产物的解吸。研究表明，Ni基催化剂在这些步骤中起关键作用。例如，Yuzhu Zhou等人发现，Ni-N-C催化剂在CO₂RR中表现出高选择性，这与CO的快速解吸有关。
此外，Yingjie Liu等人发现，NiCu纳米粒子可以促进电子从NiCu纳米粒子到Ni单原子的转移，从而增强COOH中间体的吸附。这些研究揭示了Ni基催化剂在CO₂RR中的反应机制，并为催化剂的设计提供了理论依据。
4. Ni基催化剂的性能优化
为了提高Ni基催化剂的性能，研究者们提出了多种优化策略。例如，通过调节Ni的电子结构，可以显著提高其催化活性。Ziyan Yang等人发现，通过N掺杂碳等非配位调节方法，可以改善Ni–N₃结构的电子结构，从而提高CO₂RR的反应动力学。
此外，通过反应界面工程，如热解制备Ni SACs，并研究Ni纳米颗粒对CO₂RR的影响，也可以优化催化剂的性能。这些优化策略不仅提高了催化剂的活性，还增强了其稳定性。
5. Ni基催化剂的实际应用
Ni基催化剂在实际应用中表现出良好的稳定性和可重复性。例如，Yuzhu Zhou等人发现，Ni-N-C催化剂在长时间运行中表现出稳定的电流密度和法拉第效率。此外，Min Wang等人发现，N,O-Ni/CMK3催化剂在不同电解液和CO₂流速下均表现出优异的CO₂RR活性和稳定性。
这些研究表明，Ni基催化剂在实际应用中具有良好的前景，尤其是在流电解池和大规模CO₂资源化利用中。
6. Ni基催化剂的挑战与未来方向
尽管Ni基催化剂在CO₂RR中表现出优异的性能，但仍面临一些挑战。例如，Ni基催化剂对H和CO等中间物种的吸附能力较强，这可能影响其选择性。此外，Ni基催化剂的合成和表征仍需进一步优化。
未来的研究方向包括：（1）开发新型Ni基催化剂，通过结构调控和表面修饰进一步提高其性能；（2）深入研究Ni基催化剂的反应机制，为催化剂设计提供理论支持；（3）探索Ni基催化剂在实际应用中的稳定性，以满足大规模CO₂资源化利用的需求。
7. 结论
Ni基催化剂在CO₂RR中展现出优异的性能，尤其是在选择性和活性方面。通过结构调控、表面修饰和反应机制优化，Ni基催化剂的性能得到了显著提升。未来的研究应进一步探索Ni基催化剂的反应机制和实际应用，以推动其在CO₂资源化利用中的广泛应用。