合肥光源用户在电催化尿素氧化研究中获新进展
时间 : 2021-12-31     

电化学尿素氧化反应(UOR)在含尿素的废水处理以及尿素燃料电池等方面具有重要意义,同时UOR也是作为传统析氧反应(OER)制氢的理想替代阳极半反应。然而其缓慢的UOR动力学仍阻碍了其实际应用,这需要高性能的催化剂来降低过电位。近年来发展起来的以氢氧化镍、硫化物、磷化物等为基础的非贵金属UOR催化剂,由于过电位高、电流密度低、稳定性不好等原因,其催化性能不能满足实际应用的要求。对于大多数研究的镍基材料,在表面形成Ni3+NiOOH衍生物作为催化的活性位点。由于Ni3+活性位点与*COO中间体的强烈结合,该反应的热力学能很大(~1242.2 kJ·mol-1),导致催化剂活性较低。

针对上述挑战,安徽大学材料科学与工程学院陈平教授与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授、池州学院李善青博士等人合作,将亚铁氰化镍(Ni2Fe(CN)6)纳米材料负载到泡沫镍表面,发现其优越的电催化尿素氧化性能,在1.35 Vvs. RHE)的电位下达到100 mA·cm-2的阳极电流密度。亚铁氰化镍驱动的UOR作为阳极反应在电化学产H2H2O2方面比传统OER反应具有显著的节能优势。

该工作中,固液相界面的化学反应的原位探测是个挑战,合肥光源“红外谱学和显微成像线站”(BL01B)发展的高亮度红外显微谱学技术为解决这个难题提供了重要的平台。国家同步辐射实验室刘庆华研究组利用该平台,建立适合于探测固液相电化学反应的原位同步辐射傅里叶变换红外光谱(SR-FTIR)技术,并利用该技术平台从实验上探测电催化尿素氧化过程中的关键中间产物,并结合密度泛函理论计算证实,与大多数报道的NiOOH为活性成分的电催化剂相比,Ni2Fe(CN)6驱动的UOR反应路径在脱除碳酸根(或者CO2)这一速控步骤上有着明显的能量优势;同时Ni2Fe(CN)6驱动的尿素氧化过程分为氨生成和氨分解两个阶段(其中Ni位点在氨生成阶段起主导作用,而Fe位点则在氨分解阶段起主导作用),NiFe双活性位点的协同作用进一步提升了Ni2Fe(CN)6电催化性能。

相关研究成果以“Nickel ferrocyanide as a high-performance urea oxidation electrocatalyst”为题于2021921日在《Nature Energy》上在线发表


图. 亚铁氰化镍(Ni2Fe(CN)6)形貌、性能和原位同步辐射红外谱学测量结果

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00899-2