电催化水分解因其能够高效、经济又无污染地生产H2而引起了广泛的关注。整体水分解过程涉及阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，由于其动力学缓慢，该技术的实际工作电压通常要高得多。因此，合理设计先进的电催化剂来提高HER和OER活性至关重要。除了开发高效的电催化剂外，用小有机分子的电氧化反应取代阳极OER反应对显著提高H2产量至关重要。其中，尿素氧化反应(UOR)可以显著减少理论热力学势(从1.23 V到0.37 V)。因此，阳极UOR可以耦合HER构建一个碱性环境中节能产氢的装置。但是，UOR电解释放的CO2可以与电解液中的OH−反应形成碳酸盐，且UOR复杂的六电子转移过程缓慢，通常会导致需要过大的电位。因此，开发高效的UOR催化剂是实现节能产氢的关键和挑战。
近日，吉林大学卢晓峰和中国科学院大连化物所高铭滨等受到活性位点Pt-H键的形成能够促进HER性能的启发，通过静电纺丝和电沉积技术，在镍碳纳米纤维上负载了Pt修饰的Ni(OH)2 (Pt-Ni(OH)2@Ni-CNFs)或锚定了Pt (Pt@Ni-CNFs)，分别用作高效UOR和HER电催化剂。由于Pt纳米颗粒与Ni(OH)2之间的界面相互作用，制备的PtNi(OH)2@Ni-CNFs催化剂具有优异的UOR性能。在1 M KOH+0.33 M尿素溶液中，该催化剂仅需1.363和1.422 VRHE的低电位就能达到10和100 mA cm-2的电流密度。另一方面，Pt@Ni-CNFs催化剂具有优异的HER性能，在10 mA cm-2电流密度下的过电位仅为20.8 mV，甚至优于商业Pt/C催化剂。原位表征和密度泛函理论(DFT)计算表明，Ni(OH)2首先被电氧化到Ni(OH)O，尿素分子在Ni(OH)O的缺陷位点上发生自发的脱氢，并将Ni(OH)O同时转化回Ni(OH)2。负载的Pt有利于Ni(OH)2的电氧化，Ni(OH)2脱氢形成Ni(OH)O和尿素分子转化为N2和CO2的过程均得到促进，导致UOR性能显著提高。以Pt-Ni(OH)2@Ni-CNFs和Pt@Ni-CNFs分别作为阳极和阴极组装的电解槽仅需1.4 V的槽电压就能产生10 mA cm-2的电流密度，并且其H2产率是碱性水分解电解槽的10倍，证实了UOR在节能和可持续H2生产领域取代OER的巨大前景。Modulating the electronic structure of Ni(OH)2 by coupling with low-content Pt for boosting urea oxidation reaction enables significantly promoted energy-saving hydrogen production. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D3EE03398H
