电催化尿素氧化反应催化剂设计的研究进展

电催化尿素氧化反应(urea oxidation reaction,UOR)是尿素辅助电解水制氢、含尿素废水电化学降解和直接尿素燃料电池的基础反应.然而,由于UOR存在六电子转移过程,动力学缓慢,阻碍了这些技术的实际应用,急需寻找高效且低成本的电催化剂以促进UOR的反应进程.基于此,近几年已报道了多种合成策略,并且在催化剂设计和机理研究方面取得了巨大进展.首先,讨论UOR辅助电解水的反应过程,并对应用于催化剂设计的掺杂工程、异质结构建、缺陷工程、合金和关键反应中间体的调控等多种策略展开论述.最后,对UOR催化剂的研究进展进行总结,并讨论了基于尿素的能源转化技术和相应催化剂未来发展所面临的挑战和前景.

MOFs衍生物在尿素氧化中的研究进展

尿素氧化反应(UOR)在缓解现代氢能源制备和废水处理等压力中起着关键作用,引入性能优异的电催化剂有助于降低电化学能耗。金属-有机骨架(MOFs)衍生物因能克服MOFs原有导电性及稳定性差的固有缺陷备受关注,被认为是一种很有前途的电催化剂。本文回顾和总结了基于MOFs衍生物的设计和构建的相关研究:(i)基于镍基/非镍基的UOR的机理分析;(ii)概括了利用结构调控、形貌控制、界面工程和缺陷工程的手段提高电子电导率的策略,同时概括了材料物理特性改变与催化活性的相关性;(iii) MOFs衍生物基于UOR的应用研究。最后,对UOR的后期研究挑战和发展提出了合理的建议。

用于尿素氧化的介孔Ni-NiO@NC电极构造

电催化尿素氧化反应(UOR)可作为直接尿素燃料电池(DUFC)的阳极反应。采用水热联合热解的方法,在介孔含氮碳基体(NC)上构建了锚定Ni和NiO晶体异质结的UOR电催化剂。在1.67 V时,优化工艺合成的Ni-NiO@NC-500复合材料的碱性介质UOR阳极峰值电流密度为237 mA/cm2,在10 mA/cm2的UOR的电势为1.38 V(vs RHE)。12 h的CA循环电流密度>80%。Ni-NiO@NC-500良好的电催化活性关键在于Ni和NiO之间形成了异质结,界面处存在协同作用,Ni/NiO异质结不仅提供了更多的UOR活性位点,而且有利于尿素吸附和气体产物解吸。此外,N掺杂调节了复合材料的电子密度,加快了UOR过程中的电子传递,其介孔结构有利于电解质的渗透和电子转移,其NC提高了催化剂的稳定性。Ni-NiO@NC-500材料将有望成为一种高效、低成本的UOR电催化剂。

尿素电氧化反应——推荐一个电化学综合实验

设计了一个基于尿素电氧化反应的综合化学实验,该实验采用三电极体系对镍电极上的尿素电氧化行为进行了详细的循环伏安测试,通过数据分析可求算出尿素分子的扩散系数、反应的传递系数、反应级数等重要的物理化学参数,将电催化研究前沿与本科课程中电分析和化学动力学及电解与极化作用等内容紧密结合;并采用两电极体系构建尿素辅助电解制氢装置模拟实际应用,能够充分培养学生运用基础知识解决科研问题的能力,体现了“基础知识–理论研究–实际应用”的实验教学思维模式,适合作为面向高年级本科生的综合实验教学课程。

富含尿素废水电化学处理的研究

由于氢能源和环境废水处理的需求,使尿素氧化和氢能产生的双功能催化剂的发展成为重大的挑战。本文中合成了双功能催化剂Ni_3N。对尿素氧化,当电流密度为10 mA·cm^(-2)时,电位为1.34 V,Tafel斜率为41 mV dec^(-1)。同时对析氢反应来说,当电流密度为10 mA·cm^(-2),电位为120 mV,Tafel斜率为110 mV dec^(-1)。

镍铝水滑石材料的制备及其对尿素的电催化性能研究

直接尿素燃料电池是一种可再生能源技术,它为能源可持续发展与水污染控制提供了一种新思路。然而,受限于电极材料,尿素的氧化反应动力学十分缓慢,这严重阻碍了该技术的推广应用。本研究利用共沉淀法制备了一种新型纳米镍铝水滑石催化剂,并利用X射线衍射法对其结构进行表征,线性伏安法、交流阻抗及塔菲尔曲线等方法对其电催化性能进行测试。结果表明:所制备的AlO_(2)^(-)/Ni-Al-LDHs催化剂仍具有典型水滑石的片层状结构,且电化学活性面积约为单金属Ni电极的2倍。AlO_(2)^(-)/Ni-Al-LDHs催化剂不仅具有较小的电荷转移阻力,对于尿素的催化活性也远大于单金属Ni,并且在碱性条件下拥有更好的稳定性。

过渡金属磷化物纳米材料催化尿素电解制氢研究进展

电解水制氢技术操作简单、产物纯度高,是一种前景广阔的绿色制氢方式。然而,阳极析氧反应(OER)具有较高的热力学电势和缓慢的动力学,严重阻碍了电解水制氢技术的大规模工业应用。近年来,人们发现利用较低热力学电势的尿素氧化反应(UOR)取代阳极OER能够同时实现氢气的节能生产和尿素废水的净化。但这种技术的挑战在于尿素电解过程涉及复杂的多步电子转移步骤,需要高性能的催化剂来提高其反应速率。过渡金属磷化物具有独特的催化表面、良好的导电性和稳定性等特点,在尿素电解制氢领域得到了广泛的研究和发展。本文综述了均相单金属磷化物和双金属磷化物以及非均相金属磷化物在催化尿素电解中的研究进展,分析了其组分和结构对催化活性和稳定性的影响,最后总结了尿素电解催化剂目前面临的难题和挑战,并展望了其未来的研究方向。

NiMn MOF尿素氧化辅助电解海水的研究

为解决海水电解过程中氯离子对电极的腐蚀与析氯竞争反应的问题,通过水热法和退火处理在泡沫镍上制得一种耐腐蚀的NiMn MOF-300/NF来作为尿素氧化的电催化剂,并利用氧化电位更低的尿素氧化反应来代替阳极氧化反应,可有效抑制析氯反应并显著降低海水电解能耗。该催化剂在200 mA/cm2的电流密度下所需电位仅为1.37 V,比单纯电解海水的过电位低340 mV,在50 mA/cm2的电流密度下可连续反应48 h而催化性能无明显衰减,展现出优良的电催化活性与稳定性。该方法为海水电解的大规模实际应用提供了新的思路。