相比传统的载体型催化剂，单原子催化剂具有更加充分暴露的催化活性位点、更高的原子利用率和选择性，在氧还原、光催化制氢以及CO2还原等催化化学领域都具有广泛应用，是目前催化领域的研究热点之一。然而，单原子催化剂位点对某一个反应高选择性决定了其对其他反应的低选择性，因此单一金属类型单原子催化剂难以满足复杂催化反应需求，需要开发多元金属原子催化剂。澳大利亚新南威尔士大学Chuan Zhao教授课题组利用离子交换法制备了镍-铁（Ni-Fe）双原子催化剂，得益于双原子多元活性位点，其对CO2还原中间产物具备了良好的选择性，从而实现了CO2的高效催化还原。
研究人员以沸石-咪唑盐骨架作为模板，将其与镍酸锌、镍酸铁、正己烷溶液进行混合，利用离子交换反应将铁原子（Fe）和镍原子（Ni）负载于沸石-咪唑盐骨架上，最后经过退火处理，去除无用的有机成分，形成了负载于多孔碳基底的氮配位Ni-Fe双原子催化剂（Ni/Fe-N-C）。扫描电镜测试显示，Fe、Ni原子均匀分散在多孔碳的基底上，原子粒径在50~100 nm之间。高角环形暗场扫描透射电镜表征显示，Fe、Ni原子并非以单原子分散状态存在，而是形成Ni-Fe双原子位点。为了对比研究，研究人员采用同样的方法制备了氮配位的Fe、Ni单原子催化剂Ni-N-C和Fe-N-C。随后将Ni/Fe-N-C、Ni-N-C和Fe-N-C作为电极置于CO2饱和的碳酸氢钾（KHCO3）溶液电解质测试其CO2催化性能。从-0.6 V到-1.0 V电压区间，双原子催化剂Ni/Fe-N-C表现出最高的总电流密度，电位在-1.0 V时，电流密度为23.7 mA cm-2，显著优于单原子催化剂Fe-N-C和Ni-N-C。在Ar饱和的KHCO3电解质中测试，发现只能观测到很小的电流密度和较高起始电位，表明Ni/Fe-N-C的催化活性源于CO2还原。从-0.4到-1.0 V，Ni/Fe-N-C在整个电压窗口中的催化性能都优于Fe-N-C和Ni-N-C，且电位在-0.7 V时获得最大法拉第效率（98%），此时电流密度为7.4 mA•cm-2，分别比Ni-N-C和Fe-N-C高1.5和4.6倍。而且Ni/Fe-N-C的电流密度随着施加电压的增加而急剧增加，电位在-1.0 V时达到19.7 mA cm-2，是相同电压下Ni-N-C的两倍。对于Ni/Fe-N-C、Ni-N-C和Fe-N-C，在-1.0V的电压下计算得到的转化频率（TOF）分别为7682、3690和813 h-1，表明双原子催化剂具备更强催化活性。催化稳定性测试显示，在连续催化30小时后，CO法拉第效率依旧保持99%的初始值，电流密度为8 mA•cm-2。密度泛函理论研究表明，在双原子催化剂中相邻的Ni-Fe中心不仅起协同增强催化作用，而且在吸附CO2时，双金属氮位点经历了结构变化演变成CO吸附位点，随后降低了形成中间体COOH*和CO*解吸的能垒，从而保持对CO2还原的高活性。
该项研究精心设计制备了双原子催化剂，充分利用了单原子催化剂高暴露催化位点、高原子利用率，同时整合了不同单原子催化活性和高选择性，从而实现了对CO2协同增强的催化还原，为设计高效的原子级催化剂开辟了新思路。相关研究成果发表在《Angewandte Chemie International Edition》 。
