2023年6月20日，《Advanced Functional Materials》在線刊發了我院王春棟副教授關于低能耗電解水制氫的最新研究成果“Fluorinated Ni-O-C Heterogeneous Catalyst for Efficient Urea-Assisted Hydrogen production”。我院王春棟副教授為論文唯一通訊作者，我院博士生許雪飛、英國埃克塞特大學Habib Ullah博士為論文共同一作，6774澳门永利為論文第一完成單位。

圖1.催化劑制備流程。

貴金屬基催化劑（如Pt、IrO₂和RuO₂）已被證明對UOR表現出高催化活性，但面臨着高成本和稀缺性的挑戰。在非貴金屬材料中，Ni基催化劑（如Ni基合金、氧化物、氫氧化物、磷化物和硫化物）表現出較高的UOR氧化電流密度。其中，NiO由于環境友好、成本效益和高耐腐蝕性而備受關注。然而，原始NiO的電催化活性遠遠不能令人滿意。原因可能是Ni²⁺（t_2g6e_g2）具有高的e_g占有率，導緻與反應中間體的強結合，不利于氣體産物的解吸。為了優化反應中間體的吸附和解吸，研究者們開發出一種界面工程策略。據報道，過渡金屬/過渡金屬氧化物（TM/TMO）異質結可以削弱TMO對H*的吸收，進而促進堿性HER動力學。多層異質結構賦予TM/TMO優化的d帶中心，導緻先進的UOR活性。但是，NiO導電性較差，阻礙了界面處的電子傳輸。

圖2.氟摻雜提升NiO/Ni@C催化活性的機理解析。

基于此，研究團隊提出了一種簡單的有機-無機雜化策略來制備F摻雜的NiO/Ni@C異質結結構。與傳統的NH4F分解方法不同，含氟有機物的分解可以避免有毒HF的産生，同時有效地實現F摻雜。F-NiO/Ni@C僅需46 mV的HER過電位以及1.31 V的UOR電位，就在堿性介質中實現10 mA cm⁻²的電流密度。就尿素的整體分解而言，F-NiO/Ni@C || F-NiO/Ni@C電解槽在10和200 mA cm⁻²下的電勢分别為1.37和1.57 V，優于最先進的Pt/C || RuO₂電池。此外，整體尿素電解槽實現了94.86%的尿素降解率，是原始NiO/Ni@C的4.02倍。理論計算表明，F摻雜加速了電子從Ni向NiO的轉移，從而提升了NiO的本征催化活性，實現最佳的氫吸附吉布斯自由能和UOR能壘的降低。

此項工作是王春棟副教授團隊在電催化劑設計方向的階段性研究成果。團隊長期從事電催化相關探索，近兩年來在能源催化材料局域電子調控及反應動力學機制研究方面取得了系統研究成果（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 3, 1174 (封面論文);ACS Nano 2023, 17, 10906；Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Coord. Chem. Rev., 2023, 478, 214973; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109; Appl. Catal. B-Environ, 2022, 315, 121586; Appl. Catal. B-Environ., 2022, 305, 121088），并獲得2022年湖北省自然科學三等獎（第一完成人）

文章連接

Fluorinated Ni-O-C Heterogeneous Catalyst for Efficient Urea-Assisted Hydrogen production

https://doi.org/10.1002/adfm.202303986