近年来，单金属位点修饰的氮掺杂碳(M-NC)材料因其高原子利用率、独特的电子结构和可观的催化性能等优势而引起了广泛的研究兴趣。其催化性能在很大程度上取决于活性位点的暴露和传质特性。合理的结构设计可以释放出大部分单原子位点参与催化反应，同时增强传质过程，从而提高催化性能。在负载单金属位点的诸多结构中，具有高比表面积和丰富孔隙的空心结构是最大化单原子位点催化活性的结构之一。

然而，目前大多数中空M-NC材料的制备依赖于高温热解和无自催化效应的模板(如SiO₂)，因此具有如下缺点：i) 这些策略合成出的碳骨架通常具有无定型结构，导致其较差的导电性; ii) 高温热解会导致金属物种发生严重的团聚和烧结，进而导致单原子的负载量较低 (约1 wt%); iii)空心单原子催化剂仅呈现出简单的形貌。独特的结构可能会进一步提高单原子催化剂的性能。因此，制备具有独特形貌、高导电性和高单原子载量的复杂空心结构对提高催化性能尤其重要，但仍然存在较大挑战。

近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授团队开发了一种镍(Ni)催化/模板化策略将金属Ni转化为锚定在高度石墨化空心多孔海胆状氮掺杂碳上的Ni单原子。所制备的催化剂(Ni-NC(HPU))可用于高效的电催化CO₂还原反应。

首先通过水热反应制备出一种海胆状镍模板，其在Ni-NC(HPU)的制备过程中主要有以下作用：i)作为固态模板形成空心结构；ii)催化高结晶性NC壳层的生长；iii)提供Ni源通过固体扩散过程将单分散Ni位点引入至NC层中。与尿素热解后形成了由单原子Ni修饰的NC壳层（Ni-NC)和Ni核组成的杂化结构(Ni-NC@Ni(U))。然后通过选择性刻蚀Ni核得到Ni-NC(HPU)催化剂。Ni-NC(HPU)具有高结晶度和高含量的Ni-N₄位点(2.4 wt%)。独特的中空结构、良好的导电性和大的表面积，有利于电子/质量的传递并最大限度地提高了单原子Ni位点的暴露。因此Ni-NC(HPU)催化剂表现出优异的CO₂还原性能，具有较高的CO选择性、显著的CO电流密度和优异的稳定性。此外，这种合成策略可以很容易地制备具有类似组分的不同的空心多孔结构，如线状和球状结构。

该工作开发出一种温和的Ni催化/模板化策略，成功制备出高结晶性且富含单分散Ni位点的空心多孔海胆状氮掺杂碳纳米结构 (Ni-NC(HPU))。Ni-NC(HPU)具有充分暴露的单分散Ni位点和有效的电子传输/传质特性。由于上述优点，该Ni-NC(HPU)电催化剂表现出优异的电化学CO₂还原性能以及较好的稳定性。该工作将为设计和制备用于各种能源储存和转化应用的先进单原子催化剂提供新灵感。