在全球范圍內(nèi)，尿素存在于人類(lèi)尿液、富含尿素的廢水和工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品中，其中尿素氧化反應(yīng)(UOR)是決定尿素能量轉(zhuǎn)換技術(shù)性能的基本反應(yīng)。目前，水分解和氫燃料電池系統(tǒng)因其更有利的操作條件和成本效益而顯示出巨大的潛力，而尿素電解制氫比水電解更經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槔碚撋夏蛩仉娊庵茪湫枰哪芰勘人娊馍?3%。此外，尿素的能源成本遠(yuǎn)低于氫氣、甲醇或乙醇。然而，目前UOR在堿性介質(zhì)中的性能主要受到六電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的限制，因此UOR的過(guò)電位仍然很高，這就迫使研究人員開(kāi)發(fā)高效且廉價(jià)的UOR催化劑。

基于此，長(zhǎng)春理工大學(xué)殷端端、楊穎和董相廷等(共同通訊)等人創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并合成了一種無(wú)粘結(jié)劑的復(fù)合電催化劑，即在含Mo₂S₃的泡沫鎳基底上制備了具有Fe₂P/Co₂P納米顆粒的碳層([Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF)，該催化劑也不負(fù)眾望的展現(xiàn)出了優(yōu)異的UOR性能。

在本文中，所有催化劑的UOR活性均在1 M KOH+0.5 M尿素中通過(guò)典型的三電極系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在電流密度為100 mA cm^-2時(shí)，Co₂P/NF、Fe₂P/Co₂P/NF、Mo₂S₃/NF、Co₂P@Mo₂S₃/NF和[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF的電位分別為1.47、1.41、1.40、1.41和1.36 V。相比之下，在相同的掃描速率下，IrO₂/NF(1.79 V@100 mA cm^-2)催化劑和NF(1.84 V@89 mA cm^-2)的電位均顯著高于合成的催化劑。

更重要的是，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF在UOR和OER過(guò)程中的所有電流密度下都具有最低的電位，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF也具有比目前報(bào)道的大多數(shù)催化劑更好的性能。

此外，本文還在高陽(yáng)極電流密度下測(cè)試了催化劑的穩(wěn)定性。在20、50和100 mA cm^-2的電流密度下，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF共進(jìn)行了72小時(shí)的UOR穩(wěn)定性測(cè)試，其陽(yáng)極電流密度能保持初始電流密度的90.24%。因此，與對(duì)比催化劑相比，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF電極具有更高的穩(wěn)定性和更好的催化活性。

在長(zhǎng)期的UOR穩(wěn)定性測(cè)試中，經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)電催化劑會(huì)發(fā)生一些形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，尤其是電化學(xué)反應(yīng)下金屬磷化物的界面氧化，這些變化可能對(duì)催化劑的電化學(xué)性能產(chǎn)生重大影響。結(jié)合本文的XRD，XPS和SEM等表征手段的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF在UOR過(guò)程中，由于Mo₂S₃納米片的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)滲入到Mo₂S₃納米片層中，并與碳層表面的Fe₂P/Co₂P納米粒子接觸，進(jìn)而催化UOR。

此外，在UOR的電化學(xué)氧化條件下，嵌在碳層表面的Fe₂P/Co₂P發(fā)生重構(gòu)，生成Fe/Co-氫氧化物/氧化物和磷酸鹽物質(zhì)。之后，Mo₂S₃納米片與碳層直接接觸，電子將從磷化物與氫氧化物/氧化物之間的非均相界面轉(zhuǎn)移到Mo₂S₃納米片。異質(zhì)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電子的轉(zhuǎn)移，加速了碳層表面的Fe₂P/Co₂P的重構(gòu)，提高了電子從異質(zhì)界面向Mo₂S₃相的轉(zhuǎn)移速率。

因此，[Fe₂P/Co₂P]@Mo₂S₃/NF在UOR催化過(guò)程中的真正催化性能來(lái)源于Fe/Co-氫氧化物/氧化物、磷酸鹽和Mo₂S₃的協(xié)同作用，這是催化劑具有優(yōu)良電催化性能的重要原因?？傊?，本文的合成策略拓寬了MOF的應(yīng)用范圍，為制備具有更高活性和穩(wěn)定性的UOR電催化劑開(kāi)辟了新的途徑。

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.