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综述:碳纳米管负载非贵金属电催化剂在尿素氧化反应中的最新进展
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年06月03日 来源:International Journal of Hydrogen Energy 8.1
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这篇综述系统总结了碳纳米管(CNT)负载非贵金属电催化剂在尿素氧化反应(UOR)中的研究进展,重点探讨了金属合金、MOFs、氢氧化物/氧化物等材料的合成策略与性能优化机制,揭示了CNT的结构/电子特性对催化性能的调控作用,为可持续能源转换技术提供了重要参考。
Abstract
全球能源与环境挑战亟需高效、稳定的尿素氧化反应(UOR)电催化剂。非贵金属过渡材料因储量丰富和可调控的催化性能成为研究热点,但其导电性差、易团聚等问题限制了应用。碳纳米管(CNT)凭借优异的导电/导热性、高比表面积和各向异性结构,为上述问题提供了创新解决方案。本文综述了CNT负载的金属合金、MOFs、氢氧化物等UOR催化剂的最新进展,系统分析了合成策略、形貌调控及性能增强机制,并探讨了未来研究方向。
Introduction
尿素作为氢载体(含氢量6.67 wt%,能量密度16.9×106 J/L),其氧化反应(UOR)过电位(0.37 V vs. RHE)显著低于氧析出反应(OER, 1.23 V)。尽管Rh/Pt等贵金属催化剂性能优异,但成本高昂。过渡金属氧化物/氢氧化物虽成本低廉,却面临活性位点不足的瓶颈。CNT的引入通过优化电子传输和暴露活性位点,显著提升了催化效率,例如Mn掺杂镍钴氢氧化物/CNT复合物实现了低过电位与高电流密度。
Structural features and properties of CNTs
CNT可分为单壁(SWCNT)、双壁(DWCNT)和多壁(MWCNT),其导电性受手性、缺陷和直径调控。独特的管状结构不仅提供高机械强度,还能通过表面修饰(如羧基化)增强金属负载分散性,为UOR创造丰富的活性界面。
Metal oxides and hydroxides
以NiO/MWCNT为例,CNT支撑使电荷转移电阻降低50%,电流密度提升3倍。通过调控CNT的π-π共轭效应,可优化金属d带中心位置,进而加速尿素分子中C-N键断裂。
Summary
未来研究需聚焦长周期稳定性、低成本制备及反应机理的原子级解析。CNT与非贵金属的协同效应为设计下一代UOR系统提供了明确路径,推动氢经济与废水处理的协同发展。
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