Angew. Chem. Int. Ed. 中科大将镍的氢氧化物用于燃料电池催化尿素氧化

【引言】

在全球变暖和化石燃料日渐枯竭的推动下，发展一种可再生的能源产品和储存技术变得越来越重要。基于这些事实，一些研究人员着力于开发直接尿素燃料电池，这种电池不仅意味着是一种有潜力的可再生能源，而且还能将富含尿素的污水加以利用，缓解水的污染。

相对于阴极的氧还原反应来说，阳极的尿素氧化反应速率慢的多。因此高性能的尿素氧化催化剂应该有更低的过电位来驱动这种缓慢的反应。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学吴长征教授（通讯作者）等将NiCl₂·6H₂O粉末通过回流的方法得到β-Ni(OH)₂纳米片，再进一步硫化处理得到高性能且有金属性质的Ni(OH)₂纳米片。

研发团队基于β-Ni(OH)₂纳米片的理论研究，通过设计电子结构研发出具有金属性质的Ni(OH)₂纳米片，第一次提出过渡金属的氢氧化物有金属结构。其表面成功结合硫后，表现出更多的活性位点，更好的润湿性以及高效的电子转移性能。此间的协同效应促使尿素氧化反应性能得到很大程度的提高。从而使得有金属性质的纳米片表现出很高的电流密度，更低的起始电位以及更强的稳定性。

【图文简介】

图1，硫与Ni(OH)₂结合形成类金属的Ni(OH)₂纳米片示意图

(a),类金属的 Ni(OH)₂纳米片侧视图。

(b), H₂S和Ni(OH)₂纳米片反应示意图。

(c),硫结合反应的动力学分析。

图2，结合硫后的Ni(OH)₂结构图谱

(a), 镍K边吸收精细结构能谱相应的振动函数。

(b),相应的傅里叶变换，k为波矢，χ (k)为光电子波数的振动函数。插图为傅里叶变换放大视图。

(c)三种Ni(OH)₂中¹H的固体核磁共振光谱。

图3，结合硫的M-Ni(OH)₂纳米片电性能表征

(a), M-Ni(OH)₂纳米片和P-Ni(OH)₂纳米片中Ni 的K边X射线近边吸收结构。

(b), M-Ni(OH)₂纳米片和P-Ni(OH)₂纳米片的状态密度(垂直的蓝条表示硫结合后带隙降低)。

(c), M-Ni(OH)₂纳米片的电阻率与温度正相关。

(d), M-Ni(OH)₂纳米片的载流子浓度和霍尔系数。

图4，M-Ni(OH)₂纳米片的尿素氧化催化性能

(a), M-Ni(OH)₂的极化曲线，插图展示的是起始电位。

(b), M-Ni(OH)₂和P-Ni(OH)₂极化曲线的对比。

(c), M-Ni(OH)₂和P-Ni(OH)₂在计时电流测试中的响应。

(d),不同电催化剂相应的最大电流密度对比。

图5，CO₂从电催化剂表面脱附的动力学示意图

【小结】

具有金属性质的纳米片在室温下展现出高达3.19×1000 S·m^-1的超高导电率，提供了更多有效的电子转移。纳米片中镍的化学状态促使了CO₂的脱附且随之暴露出更多的活性位点，进而加快反应的进行。该研究为镍基材料的电催化性能提供了新的思路。

文献链接：Metallic Nickel Hydroxide Nanosheets Give Superior Electrocatalytic Oxidation of Urea for Fuel Cells (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI:10.1002/anie.201606313)

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