作者:陈平等 来源:《自然-能源》 发布时间:2021/9/23 20:32:14
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安徽大学在电催化尿素氧化研究方面取得重要进展

 

近日,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、中国科学技术大学刘庆华研究员、池州学院李善青博士等人合作,创新性地合成了一种负载在泡沫镍上的亚铁氰化镍(Ni2Fe(CN)6)催化剂,发现其优越的电催化尿素氧化性能,在1.35 V(vs. RHE)的电位下达到100 mA cm-2的阳极电流密度。

2021年9月20日,该研究成果以“Nickel ferrocyanide as a high-performance urea oxidation electrocatalyst”为题在线发表于国际顶刊Nature Energy

安徽大学为第一通讯单位,安徽大学研究生耿世奎、阿德莱德大学郑尧副教授和池州学院李善青博士为该文章共同第一作者,安徽大学陈平教授、阿德莱德大学乔世璋教授和中国科学技术大学刘庆华研究员为共同通讯作者。

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。这性能可能是与其催化机理有关。对于大多数研究的镍基材料,在表面形成Ni3+的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(材料科学与工程学院成立前工作在化学化工学院)与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授、中国科学技术大学刘庆华研究员、池州学院李善青博士等人合作,创新性地合成了一种负载在泡沫镍上的亚铁氰化镍(Ni2Fe(CN)6)催化剂(图1a),发现其优越的电催化尿素氧化性能,在1.35 V(vs. RHE)的电位下达到100 mA cm-2的阳极电流密度(图1b)。

图1:亚铁氰化镍电催化剂的表征(a,c,d)和催化性能结果(b, e, f, g)

亚铁氰化镍驱动的UOR作为阳极反应在电化学产H2和H2O2方面比传统OER反应具有显著的节能优势(图2)。

图2:亚铁氰化镍电催化剂驱动的UOR反应替代OER反应分别用于产氢气(a, b)和双氧水(c, d)

采用原位拉曼光谱和原位同步辐射X射线吸收精细结构谱(图1c,d),发现该反应的活性物质是亚铁氰化镍,并提出了可能的UOR反应路径。原位同步辐射红外谱、对反应体系中氨的检测以及催化剂对氨水的电催化氧化性能等结果证实了该路径(图3)。基于密度泛函理论计算的结果发现: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),Ni和Fe双活性位点的协同作用进一步提升Ni2Fe(CN)6电催化性能(图3)。

图3:可能的反应机理:氨生成阶段(a, c)和氨分解阶段(b, d)

本研究为开发具有高活性的UOR电催化剂开辟了新的途径。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-021-00899-2

 
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