尖晶石空心球纳米催化剂促进水分解和尿素氧化实现可持续产氢

为解决传统OER(氧析出反应)高过电位和贵金属催化剂成本问题，台湾国立台北科技大学团队通过三种方法合成MgCo2O4空心球催化剂，其中冻干法制备的样品在10 mA cm?2电流密度下仅需430 mV过电位，UOR(尿素氧化反应)塔菲尔斜率低至95 mV dec?1，为清洁能源与废水处理提供新方案。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，氢能因其141.9 kJ/g的高热值和零碳排放特性成为化石燃料的理想替代品。然而，电化学水分解(EWS)制氢面临两大瓶颈：氧析出反应(OER)需要克服四电子转移的1.23 V热力学势垒，而贵金属催化剂如Ir、Ru的高成本制约其规模化应用。更棘手的是，OER过程中气泡积聚会导致阳极失活，这促使科学家们寻找更低能耗的替代反应——尿素氧化反应(UOR)因其仅需0.37 V起始电位，既能处理含尿素废水，又能协同促进阴极析氢反应(HER)，成为破解困局的关键。

国立台北科技大学的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表的研究中，创新性地采用冻干法(FG)、水热法(HT)和固态法(SG)三种工艺制备尖晶石型MgCo₂O₄催化剂。通过调控微观形貌，成功构建了具有丰富电活性位点的空心球结构，在保持低成本的同时大幅提升催化效率。研究运用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、高分辨透射电镜(HRTEM)等技术证实，冻干样品具有最优的结晶度和中空特征，其独特的三维通道既能加速气泡释放，又暴露出更多(311)晶面活性位点。

XRD分析显示所有样品均形成纯相MgCo₂O₄（JCPDS:81-0667），但冻干法制备的FG样品在2θ=36.76°处的(311)晶面衍射峰强度显著增强，表明该方法更利于活性晶面定向生长。电导率研究通过电化学阻抗谱(EIS)证实，FG样品具有最小的电荷转移电阻（R_ct=3.2 Ω），其独特的空心结构使电子迁移率提升2.3倍。

在OER性能测试中，FG催化剂在1 M KOH电解液中仅需430 mV过电位即可驱动10 mA cm^?2电流密度，塔菲尔斜率低至190 mV dec^?1，优于多数钴基催化剂。更引人注目的是其UOR活性：在含0.33 M尿素的碱性介质中，电流密度提升4倍，塔菲尔斜率降至95 mV dec^?1，这归因于尿素分子在Co³⁺位点的优先吸附降低了反应能垒。X射线光电子能谱(XPS)进一步揭示，FG样品中Co²⁺/Co³⁺氧化还原对的快速转换是高效催化尿素分解为N₂和CO₂的关键。

该研究通过巧妙的形貌工程设计，实现了"一石三鸟"的突破：冻干法制备的空心球催化剂兼具低成本（无需贵金属）、高活性（过电位降低37%）和双功能特性（OER/UOR协同），为同时解决能源短缺和环境污染提供了创新方案。特别值得注意的是，该催化剂能将含尿素废水中的有害氮元素转化为无害氮气，在10小时稳定性测试后仍保持92%活性，这使其在工业废水处理耦合制氢系统中具有巨大应用潜力。研究团队提出的冻干-模板法合成策略，为规模化生产非贵金属催化剂开辟了新路径，对推动绿色氢能经济具有里程碑意义。