何冠杰/麦立强EES：Ru1-Ni(OH)2助力实际条件下尿素氧化反应！

电化学尿素氧化反应（UOR）分解为促进能量转化提供了一条可持续、环保的途径，但在长时间的操作中，活性位点的缺乏阻碍了尿素分解的持续效率。基于此，伦敦大学学院何冠杰教授和武汉理工大学麦立强教授等人报道了一种原子异质结构工程策略，通过合成独特的Ru-O₄配位单原子催化剂（Ru₁-Ni(OH)₂）来促进活性物质的生成。

测试发现，该催化剂在泡沫Ni上的Ru负载质量为40.6 μg cm^-2，具有商业可行性。在各种实际情况下，其具有优异活性和长期耐久性，包括100 h锌-尿素-空气电池运行，100 h碱性尿液电解，以及在工业水平电流密度下膜电极组装（MEA）系统中超过400 h的稳定制氢。

VASP解读

通过密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了Ru原子位点提高UOR性能的原因。随着电位的增加，对比Ni(OH)₂，Ru₁-Ni(OH)₂催化剂表面OH^–的消耗和尿素分子的吸附速度明显快于Ni(OH)₂，同时出现了CO₂和CO₃^2-。

结果证实，引入原子Ru位点可以显著促进OH^–吸附，生成活性NiOOH，从而加快UOR。在UOR过程中，与对照组样品相比，Ru₁-Ni(OH)₂具有非常丰富的NiOOH活性物质，且信号更强烈。在1 M KOH+ 0.33 M尿素的电解液中，Ni³⁺-O峰直到施加电位达到1.42 V时才产生，表明尿素脱氢反应产生的质子会插入到羟基上，抑制Ni(OH)O中间体的积累，进一步形成NiOOH物质。

此外，NiOOH模型作为动态活性物质，通过DFT计算揭示了单原子Ru的作用。NiOOH和Ru₁-NiOOH之间的Bader电荷差异表明，当锚定单原子Ru时，Ni原子更难以失去电子，因此具有富电子状态。不同的电荷密度进一步证实了Ru原子周围的电子耗尽区。因此，引入单原子Ru后，金属位点的重分布电荷密度调节了电子转移，有利于尿素的分裂过程。

Balancing Dynamic Evolution of Active Sites for Urea Oxidation in Practical Scenarios. Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE03258B.