Angew. Chem. Int. Ed. 中科大將鎳的氫氧化物用于燃料電池催化尿素氧化

【引言】

在全球變暖和化石燃料日漸枯竭的推動下，發展一種可再生的能源產品和儲存技術變得越來越重要。基于這些事實，一些研究人員著力于開發直接尿素燃料電池，這種電池不僅意味著是一種有潛力的可再生能源，而且還能將富含尿素的污水加以利用，緩解水的污染。

相對于陰極的氧還原反應來說，陽極的尿素氧化反應速率慢的多。因此高性能的尿素氧化催化劑應該有更低的過電位來驅動這種緩慢的反應。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學吳長征教授（通訊作者）等將NiCl₂·6H₂O粉末通過回流的方法得到β-Ni(OH)₂納米片，再進一步硫化處理得到高性能且有金屬性質的Ni(OH)₂納米片。

研發團隊基于β-Ni(OH)₂納米片的理論研究，通過設計電子結構研發出具有金屬性質的Ni(OH)₂納米片，第一次提出過渡金屬的氫氧化物有金屬結構。其表面成功結合硫后，表現出更多的活性位點，更好的潤濕性以及高效的電子轉移性能。此間的協同效應促使尿素氧化反應性能得到很大程度的提高。從而使得有金屬性質的納米片表現出很高的電流密度，更低的起始電位以及更強的穩定性。

【圖文簡介】

圖1，硫與Ni(OH)₂結合形成類金屬的Ni(OH)₂納米片示意圖

(a),類金屬的 Ni(OH)₂納米片側視圖。

(b), H₂S和Ni(OH)₂納米片反應示意圖。

(c),硫結合反應的動力學分析。

圖2，結合硫后的Ni(OH)₂結構圖譜

(a), 鎳K邊吸收精細結構能譜相應的振動函數。

(b),相應的傅里葉變換，k為波矢，χ (k)為光電子波數的振動函數。插圖為傅里葉變換放大視圖。

(c)三種Ni(OH)₂中¹H的固體核磁共振光譜。

圖3，結合硫的M-Ni(OH)₂納米片電性能表征

(a), M-Ni(OH)₂納米片和P-Ni(OH)₂納米片中Ni 的K邊X射線近邊吸收結構。

(b), M-Ni(OH)₂納米片和P-Ni(OH)₂納米片的狀態密度(垂直的藍條表示硫結合后帶隙降低)。

(c), M-Ni(OH)₂納米片的電阻率與溫度正相關。

(d), M-Ni(OH)₂納米片的載流子濃度和霍爾系數。

圖4，M-Ni(OH)₂納米片的尿素氧化催化性能

(a), M-Ni(OH)₂的極化曲線，插圖展示的是起始電位。

(b), M-Ni(OH)₂和P-Ni(OH)₂極化曲線的對比。

(c), M-Ni(OH)₂和P-Ni(OH)₂在計時電流測試中的響應。

(d),不同電催化劑相應的最大電流密度對比。

圖5，CO₂從電催化劑表面脫附的動力學示意圖

【小結】

具有金屬性質的納米片在室溫下展現出高達3.19×1000?S·m^-1的超高導電率，提供了更多有效的電子轉移。納米片中鎳的化學狀態促使了CO₂的脫附且隨之暴露出更多的活性位點，進而加快反應的進行。該研究為鎳基材料的電催化性能提供了新的思路。

文獻鏈接：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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