掺入Cr，成就一篇AFM

第一作者：Shan Xu

通讯作者：崔小强，郑伟涛

通讯单位：吉林大学

论文速览

尿素的电氧化在将废水中的尿素转化为氢气具有的巨大潜力，有助于环境保护和可持续能源生产。因此，需要开发高效稳定的尿素氧化反应（UOR）催化剂。本文中，作者通过简单的水热法成功合成了一种镍钴铬层状双氢氧化物/泡沫镍（NiCoCr-LDH/NF）电极，该电极在UOR中表现出优异的电催化性能。

测试发现，NiCoCr-LDH/NF在电流密度为100 mA cm-2下，仅需要1.38 V的低工作电位，具有优异的电催化性能。原位拉曼光谱分析表明，铬（Cr）的加入促进了活性γ-NiOOH的生成和催化剂的重构。密度泛函数理论（DFT）模拟证实了γ-NiOOH较低的形成能是由于O-2pz轨道和H-1s轨道之间杂化的能量范围较窄，导致O-H键相互作用减弱所致。Cr的引入也提高了尿素分子及其中间体的吸附能，从而提高了UOR的整体活性。NiCoCr-LDH/NF电极具有优异的电催化性能、独特的电子态和配位结构，在能量催化领域具有广阔的应用前景。

图文导读

图1：NiCoCr-LDH/NF催化剂的合成过程及其在UOR中增强𝛾-NiOOH相变示意图

图2：XRD、SEM、TEM和HR-TEM图像展示NiCoCr-LDH/NF的形态和组分

图3：XANES和EXAFS分析探索催化剂样品的电子结构和氧化状态差异

图4：NiCoCr-LDH/NF电极在OER和UOR中的催化性能

图5：原位拉曼光谱分析揭示NiCoCr-LDH/NF和NiCo-LDH/NF电催化剂在UOR过程中的电化学反应过程。

图6：DFT计算揭示NiCoCr-LDH/NF和NiCo-LDH/NF在UOR过程中的电子结构和趋势

图7：NiCoCr-LDH/NF在双电极尿素电解和尿素电催化中的性能

总结展望

本文成功通过温和且直接的水热法合成了NiCoCr-LDH/NF电催化剂，该催化剂在UOR中表现出卓越的性能。Cr的掺杂显著提高了UOR活性，在100 mA cm-2下仅需1.38 V的工作电位、18.61 mV dec-1的低Tafel斜率，表明快速的反应动力学。结构和性质表征证实，Cr的引入有效地改变了催化活性位点的电子状态和配位结构，这种独特的电子结构促进了活性𝛾-NiOOH的生成，同时降低了其形成能。理论模拟进一步阐明，Cr掺杂通过缩小O-2pz轨道和H1s轨道之间的杂化范围，减弱了O-H键的相互作用力。此外，NiCoCr-LDH/NF电催化剂在碱性尿素中展现了超过45 h的稳定性。这些发现为设计高效的UOR电极和处理富含尿素的废水开辟了新机会。

文献信息

标题：O-2p Hybridization Enhanced Transformation of Active 𝜸-NiOOH by Chromium Doping for Efficient Urea Oxidation Reaction

期刊：Advanced Functional MaterialsDOI：10.1002/adfm.202401265