多界面异质结Fe3O4@NiCo2O4/NiCoP电催化剂在尿素辅助锌空气电池中的高效应用研究

为解决锌空气电池（ZABs）中氧析出反应（OER）动力学缓慢及尿素氧化反应（UOR）效率低的问题，研究人员通过两步水热-磷化法设计了一种海胆状多界面异质结催化剂Fe3O4@NiCo2O4/NiCoP。该催化剂在OER（1.47 V@10 mA cm?2）和UOR（1.344 V）中均表现出优于商用RuO2的活性，组装的尿素辅助ZAB（uZAB）具有低充放电电压差（0.50 V）、长循环寿命（600次）及高能量转换效率（70.8%），为清洁能源存储与废水处理提供了创新解决方案。

　　

论文解读

背景与挑战
全球对清洁能源的需求与日俱增，锌空气电池（ZABs）因其理论能量密度高（1084 Wh kg^?1）、环境友好等优势成为研究热点。然而，其氧电极的氧析出反应（OER）存在动力学缓慢、过电位高的问题，导致电池充放电电压差大、能量效率低下。更棘手的是，传统OER催化剂如RuO₂和IrO₂成本高昂且稳定性不足。与此同时，工业废水中富含的尿素若通过尿素氧化反应（UOR）处理，不仅可降低反应电位（0.37 V vs. RHE，远低于OER的1.23 V），还能实现废水资源化利用。但UOR涉及六电子转移和复杂的气体脱附过程，亟需高效催化剂突破反应速率瓶颈。

研究设计与方法
针对上述问题，江苏高校优先学术计划资助的研究团队创新性地采用两步水热-磷化法，构建了海胆状多界面异质结催化剂Fe₃O₄@NiCo₂O₄/NiCoP。关键技术包括：（1）水热合成NiCo前驱体与FeOOH；（2）低温磷化处理引入磷元素以调控电子结构；（3）通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料形貌与界面特性；（4）电化学测试评估OER/UOR活性及ZAB性能。

研究结果
形貌与结构分析
SEM显示催化剂呈独特的海胆状形貌（图1b-c），由纳米针状结构组成，比表面积大且暴露丰富活性位点。XRD证实了Fe₃O₄、NiCo₂O₄和NiCoP三相共存，XPS揭示磷的引入导致电子重排并产生氧空位，优化了中间体的吸附/脱附过程。

电催化性能
在碱性电解液中，该催化剂OER仅需1.47 V即可达到10 mA cm^?2，优于商用RuO₂；UOR电位低至1.344 V。组装的uZAB充放电电压差仅0.50 V，能量转换效率达70.8%，且循环600次后性能无显著衰减。

机制探讨
性能提升归因于：（1）异质界面促进电子转移；（2）磷诱导的缺陷增强导电性；（3）双金属Ni-Co协同效应优化反应动力学。

结论与意义
该研究通过界面工程策略成功制备了高效双功能电催化剂，不仅为ZABs性能提升提供了新思路，还实现了尿素废液的增值利用。成果发表于《Applied Surface Science》，为低成本、高性能能源存储与环境污染治理技术的开发奠定了实践基础。