中国海洋大学黄明华教授课题组Nano Research：可控Ni/NiO界面工程促进高效尿素电解制氢

[研究背景]：

界面工程是优化双功能催化剂电子结构和活性位点密度的有效策略之一，不仅可以保留各组分的内在催化活性，而且能够赋予异质组分之间的强界面相互作用，从而促进高速电子传输通道的构建，提高催化活性。研究表明，晶相/晶相界面异质结构的构建被视为是一把双刃剑，因为晶格和电子失配可能发生在界面区域，这将阻碍电子的快速转移和活性位点的充分暴露。近期，晶相/非晶相界面异质结构在催化应用中逐渐引起了人们广泛的研究兴趣。

界面处的非晶相具有独特的原子排列（短程有序和长程无序），可以提供更多的不饱和边缘位置，有利于反应中间体和气体产物的吸附和解吸。然而，目前的研究主要集中在构建单独的晶相/晶相或晶相/非晶相界面异质结构，两种界面异质结构的优劣尚不明确。因此，迫切需要构建一种理想的且仅有晶相变化的异质界面结构模型，寻找出晶相/非相晶和晶相/晶相界面异质结构对催化尿素电解节能制氢性能的贡献。

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[文章简介]：

近日，中国海洋大学黄明华教授课题组等在国际知名期刊Nano Research上发表了题为Controllable Ni/NiO interface engineering on N-doped carbon spheres for boosted alkaline water-to-hydrogen conversion by urea electrolysis的研究工作。

该工作通过简单的水热和热解耦合策略，在氮掺杂的碳球上成功制备了晶相/非晶相CA-Ni/NiO@NCS和晶相/晶相CC-Ni/NiO@NCS界面异质结构模型催化剂。值得注意的是，在所构筑的模型体系中，仅有NiO组分发生了晶型转变。实验观察到CA-Ni/NiO@NCS的UOR和HER性能均优于CC-Ni/NiO@NCS，这主要归因于界面区域晶相Ni和非晶相NiO强烈的协同效应，可以优化电子结构，从而能够促进尿素和水分子的吸附。同时，CA-Ni/NiO@NCS的多孔结构可以提供高度开放的质量传输通道，加速电解质离子、反应中间体和生成气体的扩散。

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[本文要点]：

要点一：CA-Ni/NiO@NCS和CC-Ni/NiO@NCS催化剂的制备

该工作通过简单的水热和热解耦合策略，在氮掺杂的碳球上巧妙地构筑了晶相/非晶相CA-Ni/NiO和晶相/晶相CC-Ni/NiO界面异质结构模型催化剂。从TEM图片可以清晰地观察到CA-Ni/NiO和CC-Ni/NiO纳米颗粒分别均匀地负载在碳球上。高分辨电镜结果表明，在所构筑的模型体系中，界面两侧Ni组分晶型保持不变，仅有NiO组分发生了晶型转变。晶相Ni与非晶相NiO紧密结合的异质界面，可能有利于电子转移的促进，从而使CA-Ni/NiO@NCS催化剂具有优异的UOR和HER性能。

图1：形貌结构表征图

要点二：优异的UOR及HER催化性能

界面区域晶相Ni和非晶相NiO强烈的协同效应，不仅能够调节电子结构，提高催化反应过程中的电子转移速率，而且有利于活性中心的暴露，加速尿素和水分子的吸附，从而使所构筑的CA-Ni/NiO@NCS的UOR和HER性能均优于CC-Ni/NiO@NCS。可以看出，在含0.5 M尿素的1.0 M KOH溶液中，该CA-Ni/NiO@NCS催化剂仅需要1.304 V的电位来驱动10 mA/cm2电流密度下的UOR，这比常规电解水体系下的催化电位低273 mV。对于HER，该催化剂仅需-0.096 V的电位即可达到10 mA/cm2的电流密度。更重要的是，在电流密度为10 mA/cm2的条件下，该催化剂能够保持较好的UOR及HER催化稳定性。

图2：UOR（a-d）和HER（e-g）电化学性能图

要点三：尿素辅助电解水节能制氢

以晶相/非晶相CA-Ni/NiO@NCS作为阳极和阴极构建了尿素电解双电极体系，达到10 mA cm-2的电流密度时仅需施加1.475 V的电压，远低于常规电解水体系所需电压（1.739 V）。此外，采用AA电池或开路电压为1.5 V的商用太阳能电池驱动该电解槽时，其表现出优越的尿素电解制氢性能。该工作解释了晶相/非晶相和晶相/晶相界面异质结构在催化UOR和HER方面的作用，为界面工程应用于双功能电催化剂开发方面提供了新的见解。

图3：尿素电解制氢性能图

[文章链接]：

Controllable Ni/NiO interface engineering on N-doped carbon spheres for boosted alkaline water-to-hydrogen conversion by urea electrolysis.

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4505-1.