华南理工大学，AFM！

学术 2024-11-05 08:30 广东

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Ni基催化剂作为贵金属的有效替代品，在催化析氢反应(HER)和尿素氧化反应(UOR)方面具有广阔的应用前景。然而，由于在碱性/酸性电解质、高电压和大电流密度等苛刻的反应条件下，催化剂中心通常会发生溶解、氧化和腐蚀，因此Ni基催化剂难以在HER和UOR中表现出显著的活性和耐久性。

N掺杂碳包裹金属纳米粒子(NPs)由于其稳定的碳外壳而受到特别的关注。这些外壳可以抑制金属活性中心的腐蚀和聚集，同时加速N掺杂碳层和金属中心之间的电子传输，提高催化性能。

木质碳具有三维结构简单、层次分明、价格低廉、电导率优异、耐腐蚀性能优异等特点，被认为是高性能电极的有希望的候选材料。因此，将木质碳与Ni基金属结合有望提升HER和UOR的性能。

基于此，华南理工大学黄建林课题组在脱木素木质碳表面生长了N掺杂碳壳包覆的晶格扭曲Ni纳米粒子(Ni-NC@DWC)，以实现高电流密度下高效的尿素氧化辅助H₂生成。

在碱性介质中，Ni-NC@DWC显示出良好的HER(E_50/100=17/24 mV)和UOR(E_100/200=1.244/1.251 V)性能，并且能够在100 mA cm^-2下稳定运行100小时。在HER+UOR耦合系统中，仅需1.13 V的低电池电压就能达到100 mA cm^-2，比常规水分解低450 mV。

此外，它还表现出强大的耐久性，在100 mA cm^-2下运行超过1000小时后仍保持97%的初始活性。利用Ni-NC@DWC组装的AEM电解槽，它在2000 mA cm^-2下只需要1.62 V的电压用于驱动尿素氧化辅助水分解，并且能够稳定运行150小时。

原位光谱和理论计算表明，1.Ni纳米粒子具有低弯曲多孔结构的三维自支撑导电骨架，有利于气体/质量的快速传输，暴露出更多的活性中心；2.Ni纳米粒子的自包裹导致了强烈的金属-载体相互作用，具有电子和约束的双重效应，从而提高了催化活性和稳定性；3.Ni纳米粒子的表面重构和自包裹优化了电子构型，导致了Ni的d带中心上移，减少了中间体的吸附/解吸能垒，实现HER和UOR性能显著提升。

此外，该项工作所提出的壳聚糖诱导的具有强金属-载体相互作用的晶格畸变Ni纳米粒子的自包封策略也可以应用于其他金属和合金负载的电催化剂(Co、Fe和NiFe合金)，以实现高效水电解产氢。

总的来说，该项研究不仅为构建有效的水电解催化剂提供了一条通用策略，而且为实现工业H₂生产中高性能AEM电解槽与尿素废水同步净化提供了一条新的途径。

Self-encapsulated Ni nanoparticles on delignified wood carbon for efficient urea-assisted hydrogen production. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202414935

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