《Nature Communications》：Efficient amino-acid-based reactive capture of CO2 via nickel molecular catalyst
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编辑短评：针对氨基酸吸附致传统催化剂失活的瓶颈，多伦多大学团队设计Ni-N不饱和配位镍酞菁，在K-Gly捕集液中实现94% CO FE（100 mA cm，42% EE），能量成本降至24.6 GJ t，为工业烟气/空气CO直接电转CO提供低能耗新路线。
把CO变成一氧化碳（CO）是制造航空燃料、长链醇醛的“门户反应”，但经典路线要先耗巨资把CO从烟气或空气中“捞”出来，再压缩纯化、高温再生，能量像漏斗一样流失。更尴尬的是，好不容易捕到的CO在电解液里浓度极低，催化剂“吃不饱”，副产氢气却蜂拥而出。近年来“反应捕集”（reactive capture）概念走红——让吸收液里的CO直接在阴极被转化成CO，省掉再生塔。然而理想丰满、现实骨感：传统胺溶液怕氧、碳酸盐释CO要啃掉两个质子，局部CO依旧稀薄；更糟的是，捕集液里的氨基酸会像“口香糖”一样黏住银、金催化剂，活性位点被遮得严严实实，CO选择性雪崩式下滑。于是，全球实验室都在追问：能否找到一种既“抗口香糖”又能“啃硬骨头”的催化剂，在低CO浓度下依旧高产CO？
带着这个问题，多伦多大学David Sinton团队与台湾阳明交通大学、麦克马斯特大学及壳牌全球解决方案公司联手，设计了一类“氨基酸耐受”的镍分子催化剂，把CO捕集与电还原合二为一。论文2025年11月24日上线《Nature Communications》。
研究人员先用密度泛函理论（DFT）扫描常见产CO催化剂与甘氨酸的结合能，发现镍酞菁（NiPc）与氨基酸亲和力最低；然而NiPc本身CO吸附弱，聚合后易堆叠失活。于是他们通过溶剂热部分聚合1,2,4,5-四氰苯（TCNB）与Ni，在碳纳米管上原位生长出含“配位不饱和Ni-N”的共轭酞菁网络（NiN–Pc–CNT）。像把“缺一条腿”的镍中心钉在导电碳管上，既保留氨基酸耐受的骨架，又露出更活泼的金属位点去抓CO。
关键技术方法：DFT计算筛选氨基酸吸附能；溶剂热合成NiN–Pc–CNT；HAADF-STEM、XAS（XANES/EXAFS）确认原子级分散与Ni-N配位；膜电极反应器评估1 M K-Gly捕集液中CO电还原性能；原位XAS追踪Ni价态与配位变化；多物理场模拟比较碳酸盐/碳酸氢盐体系局部CO浓度。
研究结果
氨基酸吸附导致传统催化剂失活
向0.5 M KHCO中添加0.1–0.3 M K-Gly，Ag催化剂的CO FE从66%跌到34%；XPS显示Ag 3d结合能负移0.3 eV，表明甘氨酸吸附改变表面电子结构；相同趋势在流通池高纯CO条件下依旧出现，证实失活主因是吸附而非CO匮乏。
NiPc–CNT抗吸附但CO亲和力不足
NiPc–CNT在1 M K-Gly中CO FE仅30%且随电流升高骤降至<10%；稀释CO（15–25 vol%）实验复现反应捕集低浓度环境，选择性进一步下滑，证明NiPc“抗口香糖”却“啃不动硬骨头”。
构建Ni-N不饱和位点提升CO活化
NiN–Pc–CNT的Ni K-edge XANES显示Ni氧化态低于NiPc；EXAFS拟合给出Ni–N配位数3.0，键长1.38 ?；DFT计算*COOH吸附自由能降低，预示CO活化增强。
膜电极反应器性能
优化流速后，NiN–Pc–CNT在1 M K-Gly（pH 8.1）中CO FE达94%（100 mA cm），能量效率42%，全池电压2.3 V；10 h稳定性测试FE与电压几乎零衰减；对K-Sarcosine、K-L-Proline等氨基酸盐同样保持>75% FE。
真实烟气与空气验证
用含15% CO、10% O、500 ppm NO/SO的模拟烟气捕集液，CO FE仍达83%；直接空气捕集液（400 ppm CO，pH 9.6）FE 34%，均显著高于文献同类体系。
系统能量评估
反应捕集路线综合能耗24.6 GJ t，比传统气相电解（64 GJ）节省62%，比碳酸盐反应捕集（56 GJ）节省56%。
结论与讨论
该研究首次指出“氨基酸吸附阻塞”是氨基酸盐反应捕集性能骤降的隐藏杀手，并提出“抗吸附+强CO活化”双功能设计准则。NiN–Pc–CNT通过共轭酞菁骨架屏蔽氨基酸、用配位不饱和Ni-N位点强化CO吸附，实现高CO选择性、高能量效率与长寿命兼得。原位XAS揭示工作态Ni中心被还原至近零价并伴随Ni–N键伸长，促进电子注入CO反键轨道，为后续设计其他“捕集-转化”一体化催化剂提供普适思路。随着可再生电力成本持续下探，这一低能耗、简流程的CO到CO技术有望与现有胺捕集装置耦合，直接输出合成气，为钢铁、水泥等难减排行业提供“碳-化”双赢新范式。
