电催化CO₂还原可通过可再生能源产生的清洁电能实现人工碳循环，理应是解决CO₂减排和实现碳达峰碳中和目标的重要路径。目前，用于CO₂还原的异相电催化剂可大致分为两大类：纳米颗粒催化剂和单原子催化剂。据文献报道，过渡金属单原子催化剂通常具有较高的选择性但较低的电流密度，而过渡金属纳米颗粒催化剂则通常具有相反的趋势，即较高的电流密度和较低的选择性。因此，如何同时实现高选择性和高电流密度是电催化CO₂还原研究亟待解决的难题。

近日，中国矿业大学徐朗教授研究团队将纳米颗粒与单原子两类催化剂的优点融为一体，并利用镧系元素Gd的调制作用，报道了一种Ni-Gd-N三元掺杂炭黑电催化剂（CBNNiGd-700），成功地将Ni(I)活性位点和Ni纳米颗粒协调地结合在一起。Gd不仅调控了Ni 3d轨道局域电子密度从而强化了电子活性，还优化了Ni纳米颗粒的尺寸，最大限度地抑制了催化剂的析氢。

结构表征显示，Ni(I)活性位点以单原子的形态暴露在碳层外，有利于直接吸附和转化CO₂分子，而Ni纳米颗粒则被包裹在碳层内，可有效避免其直接与电解液的接触，从而抑制了其析氢的倾向。同时，Gd因其显著的镧系收缩效应吸引Ni(I)最外层3d轨道电子，驱动Ni(I)电子向更高能级迁移，这不仅提高了Ni(I) 3d轨道电子的活性，还使得Ni(I)具有较高的正电荷密度，有利于稳定反应中间体。

电化学结果表明，融合了高选择性的Ni(I)活性位点（类似于单原子催化剂）和高电导率的Ni纳米颗粒于一体的CBNNiGd-700在流动电解池中实现了高达308 mA/cm²的电流密度和97%的CO法拉第效率。此外，该催化剂在100小时的长时间恒电位测试中表现出优异的电化学稳定性，显示了CBNNiGd-700的工业潜力大。

通过原位红外光谱研究，在催化剂表面检测到关键反应中间体*COOH和产物CO，确定了CO₂在Ni(I)活性位点上的转化路线：CO2 → *COOH → CO。密度泛函理论计算进一步证明，由于受到Gd调制作用的影响，Ni的部分电子向Gd转移，电子态密度分析显示Ni的d-带中心正移，且更接近于费米能级，证明Gd的引入提升了Ni 3d轨道电子活性。

该研究工作不仅为镧系元素对电子能量的调制与强化机制提供了深入的见解，也为面向工业化应用的高性能CO₂还原电催化剂的设计提供了一种新策略。

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