木质素衍生碳耦合 Ni-Mn2Mo3O8异质结：开启工业级尿素电解新征程

在尿素电解中，镍基催化剂因尿素氧化反应（UOR）和析氢反应（HER）动力学缓慢受限。研究人员制备 Ni-Mn2Mo3O8@C 催化剂，其 UOR 和 HER 电位低、稳定性好。为尿素电解提供新催化剂，开拓生物质碳材料应用。

　　

尿素，这种在生活污水和工业废水中常见的物质，看似平凡，却隐藏着巨大的 “能量密码”。尿素电解技术，作为一种极具潜力的方法，能同时实现处理含尿素废水和生产高能量密度的绿色氢气这两大目标，就像是一把 “双刃剑”，精准地指向环境污染治理和能源开发两大关键领域，为可持续发展带来了新的曙光。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。在实际应用中，尿素电解遭遇了重重阻碍。尿素氧化反应（UOR）涉及复杂的 6e^?转移过程，其动力学十分缓慢，就像是一辆在崎岖山路上艰难爬行的老爷车；而析氢反应（HER）遵循的 Volmer-Tafel 或 Heyrovsky 机制，对于镍基催化剂来说也并不适配，这使得整个反应过程效率低下，能量消耗巨大。镍基催化剂虽因储量丰富、电子构型独特，在电催化领域备受关注，但其在尿素电解时，阳极会间接氧化生成 NiOOH，而尿素电解的中间产物如 COO?、CO?、CONH₂?等在 NiOOH 表面的吸附 / 脱附性能不佳，进一步拖慢了 UOR 的反应速率。这些问题严重制约了尿素电解技术从实验室走向大规模工业应用的步伐，就像一道道坚固的屏障，横亘在科研人员面前。

为了突破这些瓶颈，推动尿素电解技术的发展，研究人员开启了一场科研攻关之旅。虽然文中未明确研究机构，但他们积极探索，另辟蹊径。研究人员创新性地制备了一种新型催化剂 ——Ni-Mn₂Mo₃O₈异质结与木质素衍生碳相结合的材料（Ni-Mn₂Mo₃O₈@C），并采用了自支撑结构。这一成果意义重大，该催化剂在 UOR 和 HER 反应中表现出了优异的性能，UOR 的电位（E_{10/1000/2000mA} ）低至 1.21/1.33/1.41 V，HER 的电位（E_{?10/?1000/?2000mA} ）为 -52.57/-329.41/-362.46 mV。当将其作为尿素电解的阳极和阴极时，在 1000/2000 mA cm^?2 的电流密度下，所需电位分别为 1.58/1.64 V 。不仅如此，Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 还展现出了出色的稳定性，在膜电极组件中能在 1000 mA cm^?2 的电流密度下稳定运行 140 小时。这一成果为 HER/UOR 反应提供了极具前景的催化剂，也为设计镍基催化剂在尿素电解的实际应用中开辟了一条可行的道路，就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续研究指明了方向。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，引起了相关领域的广泛关注。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是材料合成技术，通过溶剂热和退火的方式制备 Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 催化剂，精确控制各成分的比例和反应条件，确保材料的结构和性能。其次是物理表征技术，利用 XRD（X 射线衍射）对催化剂进行分析，确定其组成成分，为研究材料的结构提供了重要依据。此外，Operando 电化学阻抗谱技术的运用，帮助研究人员深入了解 UOR 和 HER 在催化剂表面的反应步骤和机制。

下面详细介绍研究结果：

• 催化剂的合成：研究人员将 (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O、Mn(NO₃)₂·4H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O 和碱木质素溶解在超纯水中，形成均匀混合物，再转移到含泡沫镍的高压反应釜中进行水热反应，随后经过高温退火，成功制备出具有自支撑结构的 Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 催化剂。
• 催化剂的性能测试：通过测试发现，Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 在 UOR 和 HER 反应中均展现出较低的电位。在不同电流密度下，UOR 的电位分别为E_{10/1000/2000mA} = 1.21/1.33/1.41 V，HER 的电位为E_{?10/?1000/?2000mA} = -52.57/-329.41/-362.46 mV 。这表明该催化剂能够有效降低反应的过电位，促进反应的进行。
• 反应机制研究：Operando 电化学阻抗谱研究揭示，在 Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 催化剂上，UOR 遵循直接氧化步骤，HER 则遵循 Volmer-Heyrovsky 机制。这一发现有助于深入理解催化剂的作用机制，为进一步优化催化剂性能提供了理论基础。
• 催化剂的稳定性测试：Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 在尿素电解过程中表现出良好的稳定性。在 ±1000 mA cm^?2 的电流密度下，能稳定运行 140 小时。在膜电极组件中，达到 1000 mA cm^?2 的电流密度仅需 1.63 V，且能稳定保持 140 小时的性能。这得益于木质素衍生碳的耐腐蚀性能和自支撑多孔结构的超亲水性，它们有效减轻了 Ostwald 熟化现象，加速了反应过程中的气体释放和电解质扩散。

综合来看，本研究成功合成了 Ni-Mn₂Mo₃O₈@C 催化剂，其在尿素电解中展现出优异的活性和稳定性。这一成果不仅为解决尿素电解面临的难题提供了切实可行的方案，还为生物质碳材料在电催化领域的应用开拓了新的方向。然而，目前该研究仍存在一些需要进一步探讨的地方。例如，虽然该催化剂表现出良好的性能，但在大规模生产和实际工业应用中，还需要考虑成本控制和工艺优化等问题。此外，对于催化剂在更复杂工况下的长期稳定性和性能变化，还需要开展更多的研究。尽管如此，这项研究无疑为尿素电解技术的发展注入了新的活力，激励着科研人员在这一领域继续探索，有望推动尿素电解技术早日实现大规模工业化应用，为解决环境污染和能源短缺问题贡献更多力量。