Chem. Eng. J.：利用空间限制效应和异质结构实现高效尿素电解

在全球范围内，尿素存在于人类尿液、富含尿素的废水和工业生产的副产品中，其中尿素氧化反应(UOR)是决定尿素能量转换技术性能的基本反应。目前，水分解和氢燃料电池系统因其更有利的操作条件和成本效益而显示出巨大的潜力，而尿素电解制氢比水电解更经济，因为理论上尿素电解制氢需要的能量比水电解少93%。此外，尿素的能源成本远低于氢气、甲醇或乙醇。然而，目前UOR在碱性介质中的性能主要受到六电子转移过程的限制，因此UOR的过电位仍然很高，这就迫使研究人员开发高效且廉价的UOR催化剂。

基于此，长春理工大学殷端端、杨颖和董相廷等(共同通讯)等人创新性地设计并合成了一种无粘结剂的复合电催化剂，即在含Mo₂S₃的泡沫镍基底上制备了具有Fe₂P/Co₂P纳米颗粒的碳层([Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF)，该催化剂也不负众望的展现出了优异的UOR性能。

在本文中，所有催化剂的UOR活性均在1 M KOH+0.5 M尿素中通过典型的三电极系统进行测试。测试结果表明，在电流密度为100 mA cm^-2时，Co₂P/NF、Fe₂P/Co₂P/NF、Mo₂S₃/NF、Co₂P@Mo₂S₃/NF和[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF的电位分别为1.47、1.41、1.40、1.41和1.36 V。相比之下，在相同的扫描速率下，IrO₂/NF(1.79 V@100 mA cm^-2)催化剂和NF(1.84 V@89 mA cm^-2)的电位均显著高于合成的催化剂。

更重要的是，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF在UOR和OER过程中的所有电流密度下都具有最低的电位，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF也具有比目前报道的大多数催化剂更好的性能。

此外，本文还在高阳极电流密度下测试了催化剂的稳定性。在20、50和100 mA cm^-2的电流密度下，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF共进行了72小时的UOR稳定性测试，其阳极电流密度能保持初始电流密度的90.24%。因此，与对比催化剂相比，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF电极具有更高的稳定性和更好的催化活性。

在长期的UOR稳定性测试中，经常可以发现电催化剂会发生一些形态和结构的变化，尤其是电化学反应下金属磷化物的界面氧化，这些变化可能对催化剂的电化学性能产生重大影响。结合本文的XRD，XPS和SEM等表征手段的结果，可以发现[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF在UOR过程中，由于Mo₂S₃纳米片的开放结构，电解质渗入到Mo₂S₃纳米片层中，并与碳层表面的Fe₂P/Co₂P纳米粒子接触，进而催化UOR。

此外，在UOR的电化学氧化条件下，嵌在碳层表面的Fe₂P/Co₂P发生重构，生成Fe/Co-氢氧化物/氧化物和磷酸盐物质。之后，Mo₂S₃纳米片与碳层直接接触，电子将从磷化物与氢氧化物/氧化物之间的非均相界面转移到Mo₂S₃纳米片。异质结构促进了电子的转移，加速了碳层表面的Fe₂P/Co₂P的重构，提高了电子从异质界面向Mo₂S₃相的转移速率。

因此，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF在UOR催化过程中的真正催化性能来源于Fe/Co-氢氧化物/氧化物、磷酸盐和Mo₂S₃的协同作用，这是催化剂具有优良电催化性能的重要原因。总之，本文的合成策略拓宽了MOF的应用范围，为制备具有更高活性和稳定性的UOR电催化剂开辟了新的途径。

Achieving Efficient Urea Electrolysis by Spatial Confinement Effect and Heterostructure, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.142254.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142254.