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电解镍催化CO₂高值化：从机理探索到反应器设计
2025-04-241. 研究背景
全球年排放CO₂超400亿吨，电催化还原（CO2RR）可将CO₂转化为燃料（如甲烷、乙烯）或化工原料（甲酸、乙醇）。镍因其对*CO中间体的强吸附能力，能促进C-C偶联生成C₂+产物，成为研究热点。
2. 催化机制与材料创新
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活性位点争议：
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金属Ni⁰：主导CO生成（关键中间体）；
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Ni²⁺/Ni³⁺氧化物：促进C-C耦合（Science, 2022证实Ni⁺是乙醇合成的活性中心）。
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结构设计：
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单原子Ni-N₄位点：嵌入氮掺杂碳中，CO选择性＞99%（抑制HER竞争反应）；
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核壳结构：Ni@Cu纳米颗粒中，Cu壳调控*CO覆盖度，乙烯法拉第效率达60%。
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3. 系统优化案例
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电解质工程：
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离子液体添加剂：如[BMIM]BF₄可降低C₂H₄生成过电位200 mV；
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脉冲电解：周期性切换电位抑制催化剂积碳。
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膜电极组装（MEA）：
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气体扩散电极（GDE）结合Ni-N-C催化剂，电流密度提升至300 mA/cm²（工业级门槛）。
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4. 经济性与规模化瓶颈
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产物分离成本：液相产物（如乙醇）分离能耗占全流程50%，需开发气相直接生成技术；
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催化剂寿命：工业级电流密度（＞500 mA/cm²）下，Ni基催化剂易发生相变，需开发稳定化涂层。
5. 未来趋势
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耦合可再生能源：风电/光伏供电的波动性适配Ni催化剂的宽电位窗口；
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人工智能优化：利用算法预测最佳Ni合金成分与电解液组合。
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