想象一下，如果二氧化碳（CO2）可以很容易地转化为可用能源。每次你呼吸或驾驶一辆汽车，你就会产生燃料的关键成分。就像植物中的光合作用一样，我们可以将二氧化碳转化为分子，而这些分子对日常的生活是必不可少的。现在，科学家又近了一步。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员是一项科学合作的一部分，他们确定了一种新的电催化剂，它能有效地将二氧化碳转化为一氧化碳（CO）——一种高能量的分子。他们的发现发表在2月1日的《能源与环境科学》杂志上。

“使用CO的方法有很多种。”布鲁克海文大学的科学家、该论文的作者Eli Stavitski说，“你可以和水反应生成富含能量的氢气，或者和氢反应生成有用的化学物质，比如碳氢化合物或醇。如果有一个可持续、成本效益高的CO2转化为CO的途径，它将大大造福社会。”

长期以来，科学家们一直在寻找将CO2转化成CO的方法，但传统的电催化剂不能有效地引发这种反应。这是因为一个相互竞争的反应，称为氢的演化反应（HER）或“水分裂”，优先于二氧化碳的转化反应。

一些贵金属，如黄金和铂，可以避免HER和将CO2转换成CO；然而，这些金属相对来说比较稀有，而且价格昂贵，不能用作成本效益高的催化剂。因此，科学家们用一种全新的催化剂来将二氧化碳转化为CO。他们使用的不是贵金属纳米粒子，而是单一的镍原子。

哈佛大学的Rowland研究员、本文的相关作者Haotian Wang表示：“镍金属很少被选为将二氧化碳转化为CO2的有希望的候选者。”“其中一个原因是，它能很好地发挥作用，大大降低了CO2的选择性。另一个原因是如果有CO分子的话，它的表面很容易被污染”

但是，单个的镍原子会产生不同的结果。

“单个原子更倾向于制造CO，而不是进行竞争，因为大块金属的表面与单个原子的表面非常不同。”Stavitski说。

Klaus Attenkofer，是一位布鲁克海文大学的科学家，也是该论文的作者之一，他补充说：“金属的表面具有一种能量潜力——它是均匀的。而在单个原子上，表面的每个位置都有不同的能量。”

除了单原子的独特的高能性质外，镍原子与周围的石墨烯的相互作用也促进了CO2的交换反应。将原子锚定在石墨烯上使科学家们能够调整催化剂并压制HER。

为了更仔细地观察石墨烯薄片中的单个镍原子，科学家们在布鲁克海文的功能性纳米材料中心(CFN)中使用了扫描透射电子显微镜(STEM)。通过扫描样品上的电子探针，科学家们能够在石墨烯上看到离散的镍原子的图像。

“我们最先进的透射电子显微镜是一个独特的工具，可以看到极微小的特征，比如单个原子。”CFN的科学家、该论文的作者之一Sooyeon Hwang说。

“单个原子通常是不稳定的，而且倾向于聚集在支撑物上。”Dong Su补充说，他同时也是CFN科学家和论文的合著者，“然而，我们发现单个镍原子分布很均匀，这就解释了转化反应的优良性能。”

为了分析这种材料的化学复杂性，科学家们使用了美国国家同步加速器光源II（NSLS-II）的束线8-ID。NSLS-II的超亮x射线使科学家们能够“看到”物质内部结构的详细视图。

王说:“为了将这项技术应用到未来的实际应用中，我们目前的目标是用一种廉价而大规模的方式生产这种单原子催化剂，同时提高其性能并保持其效率。”

“光子，或光的粒子，与镍原子中的电子相互作用来做两件事。”Stavitski说，“它们使电子达到更高的能量状态，通过映射这些能量状态，我们就可以了解材料的电子组态和化学状态。当我们增加光子的能量时，它们把电子从原子上踢出去，并与相邻的元素相互作用。”从本质上说，这给科学家们提供了一个镍原子局部结构的图像。

根据哈佛、NSLS-II、CFN和其他研究机构的研究结果，科学家们发现单个镍原子催化CO2转化反应的效率最高可达97%。科学家们说，这是向回收二氧化碳用于能源和化学品迈出的一大步。

“为了在未来的实际应用中应用这一技术，我们目前的目标是以廉价和大规模的方式生产这种单原子催化剂，同时提高其性能并保持其效率。”Wang说。