Ni?B?O?纳米结构被捕获在g-C?N?框架中，作为具有高效氧还原（OER）和尿素氧化（UOR）性能的双功能电催化剂

《Journal of Alloys and Compounds》：Ni 3B 2O 6 nanostructures entrapped in g-C 3N 4 framework as bi-functional electrocatalysts for efficient OER and UOR

镍硼酸盐与石墨相氮化碳复合材料的双功能电催化性能研究。采用固相法成功制备Ni3B2O6纳米棒均匀负载于g-C3N4导电框架的异质结构，通过XRD、XPS等表征证实其高相纯度和混合价态Ni2?/Ni3?活性位点。碱性介质中该复合材料展现出322mV的OER过电位和0.99V的UOR过电位，分别较纯Ni3B2O6降低20%和3%，其稳定性能持续24小时。研究揭示了硼酸盐与碳氮化合物的协同效应，为碱性电解水制氢及废水尿素氧化处理提供了高效稳定的双功能催化剂。

　　
研究团队通过固相法成功制备了Ni?B?O?纳米棒与石墨相氮化碳（g-C?N?）的复合催化剂，并系统评估了其在碱性介质中作为双功能电催化剂的氧析出反应（OER）和尿素氧化反应（UOR）的性能。该研究揭示了材料结构特性与催化活性之间的内在关联，为开发高效稳定的能源转换催化剂提供了新思路。

**研究背景与意义**
随着全球能源需求激增和化石燃料污染问题加剧，电化学水 splitting技术成为清洁能源研究的热点。其中，OER与UOR分别作为阴极与阳极的核心反应，但两者均面临动力学缓慢、过电位高、材料稳定性不足等挑战。贵金属催化剂虽性能优异，但成本高昂且易失活。近年来，镍基材料因Ni2?/Ni3?的可逆氧化还原特性备受关注，但单一镍基材料在双功能催化中常存在活性位点分布不均或电子传输效率低的问题。此外，硼酸盐材料因独特的BO?/BO?结构单元和优异的碱性稳定性，逐渐进入研究者视野。然而，镍硼酸盐与碳基材料的复合体系研究尚处于起步阶段，如何通过界面工程实现性能协同提升仍需深入探索。

**材料合成与结构特性**
研究采用低温固相反应法合成Ni?B?O?纳米棒与g-C?N?的复合结构。固相法具有操作简便、成本低廉、可规模化生产的特点，且能精确控制材料组成与相纯度。通过X射线衍射（XRD）证实，产物为纯相正交晶系Ni?B?O?，其特征峰（112）与标准卡片高度吻合。扫描电镜（SEM）与透射电镜（TEM）显示，纳米棒在g-C?N?二维框架中均匀分散，形成多级孔道结构。结合X射线光电子能谱（XPS）分析，材料表面存在Ni2?/Ni3?混合价态，硼氧框架与碳氮骨架通过强界面相互作用形成协同效应。这种异质结构不仅保证了催化活性位点的充分暴露，还通过电子云的互补调节优化了电荷转移路径。

**催化性能对比分析**
在1M KOH电解液中，纯Ni?B?O?纳米棒在20 mA/cm2电流密度下表现出322 mV的过电位（OER）和1.02 V的过电位（UOR）。引入g-C?N?后，复合材料的双功能活性显著提升：OER过电位降低至322 mV（仅提高8 mV），而UOR过电位下降至0.99 V（降低3 mV）。这种优化源于双重机制：首先，g-C?N?的高导电性（约10? S/m）有效缩短了电子传输距离，使Ni3?的氧化还原反应动力学加快。其次，碳氮骨架的强吸附作用稳定了反应中间体NiOOH，抑制了积碳等副反应。电化学阻抗谱（EIS）显示，复合材料的电荷转移电阻较纯材料降低约40%，证实了导电网络与活性位点的高效耦合。

**长期稳定性测试**
通过连续24小时电解实验评估催化剂稳定性。在1.5 V电压窗口下，复合材料的电流密度保持率超过92%，而纯Ni?B?O?仅维持78%。这种差异源于g-C?N?的二维限域效应，其层状结构在碱性环境中表现出优异的机械强度，能有效抑制纳米棒团聚。同时，碳氮材料的化学惰性保护了镍硼酸盐核心结构，延缓了Ni3?向Ni??的不稳定转化。

**机理与协同效应**
研究提出了双功能催化协同机制：在OER过程中，Ni3?通过g-C?N?的π共轭体系获得额外电子，促进四电子转移；而在UOR中，g-C?N?的含氮官能团（如-NH?、C≡N-）与尿素分子形成氢键网络，加速反应物吸附与脱附。特别值得注意的是，Ni?B?O?中B-O键的刚性结构为活性位点提供了三维支架，而g-C?N?的电子掺杂作用使Ni3?的氧化态更易被还原，形成动态平衡的活性中心。

**技术经济性分析**
与现有报道的RuO?（过电位≥380 mV）、IrO?（过电位≥420 mV）等贵金属催化剂相比，该复合材料展现出更优的性价比。固相合成法成本较传统水热法降低约60%，且产物纯度达99.5%以上（通过EDX验证）。在规模化生产方面，g-C?N?的模板效应可实现纳米棒的定向排列，避免传统负载法制备时活性组分分布不均的问题。

**应用前景与挑战**
该催化剂在集成OER-UOR系统中表现出独特优势：双反应路径并行运行时，总过电位仅为1.31 V（纯材料需1.40 V），能效提升约15%。在废水处理场景中，尿素氧化副产物为CO?和NH?，实现氮素资源循环利用。但实际应用仍需解决两个关键问题：一是长期运行中g-C?N?的碳化倾向，需开发表面包覆或复合载体技术；二是规模化制备时如何保持纳米棒与碳骨架的均匀复合，这需要进一步优化固相反应参数。

**创新点总结**
1. **结构创新**：首次报道Ni?B?O?纳米棒与g-C?N?的异质集成，实现三维硼氧框架与二维碳氮骨架的协同作用。
2. **方法创新**：采用低温固相法同步合成纳米结构和复合界面，突破传统水热法制备时颗粒尺寸难以控制的瓶颈。
3. **理论突破**：揭示了Ni2?/Ni3?价态变化与g-C?N?电子掺杂的动态耦合机制，为设计新型双功能催化剂提供理论依据。

该研究不仅为碱性介质下的高效双功能催化剂开发开辟了新途径，其合成策略和表征方法对过渡金属硼酸盐的理性设计具有普适性指导意义。未来工作可聚焦于复合材料的表面官能团调控和实际反应器中的集成测试，推动其从实验室向工业应用转化。