可调控的MoSe?/CoSe?层状结构转变，使其成为高效的尿素电解和海水分解电催化剂

《Journal of Alloys and Compounds》：Controllable transformation of hierarchical morphology MoSe 2/CoSe 2 as efficient electrocatalyst for urea electrolysis and seawater splitting

海水电解中氧析出反应（OER）和氯析出反应（ClER）协同抑制策略。通过金属有机框架（MOF）前驱体合成具有多孔花状/十二面体复合结构的MoSe?/CoSe?催化剂（CMO-Z-Se），在1.0M KOH+0.5M尿素电解液中阳极过电位1.316V（vs RHE），阴极过电位114mV（vs RHE），在含0.5M NaCl的尿素电解液中过电位降低24mV，整体电压1.545V。碳框架修饰实现低温硒化（<200℃）和优异导电性（1585 S/cm），孔隙率提升至89.7%。该催化剂成功将海水电解与尿素氧化耦合，抑制ClER同时提升传质效率，为低成本海水制氢提供新方案。

　　氢气的生产是全球能源领域的重要研究方向之一，尤其是在可再生能源的背景下，寻找可持续、高效的方法至关重要。目前，大多数研究集中在淡水电解系统中，但随着全球水资源分布的不均以及淡水储量的有限性，人们开始关注海水作为电解质的潜力。海水具有天然的高导电性，并且在地球上的储量远大于淡水，因此被视为一种具有广阔前景的替代资源。然而，海水电解面临两大主要挑战：能量需求较高的氧气析出反应（OER）和与OER竞争的氯气析出反应（ClER）。为了解决这些问题，研究者们尝试将OER替换为其他小分子氧化反应，例如尿素氧化反应（UOR），从而提高整体反应效率并降低能耗。

在这一背景下，本研究提出了一种基于金属有机框架（MOF）衍生的MoSe?/CoSe?催化剂（CMO-Z-Se），用于尿素电解和尿素辅助的海水裂解。该催化剂具有层次化的形貌结构，通过可控的合成方法，成功地在纳米花状结构上生长出菱形十二面体结构，同时形成了高度多孔的架构，显著提高了反应过程中物质的传输效率。这种多孔结构不仅有助于加快反应速率，还能够有效促进反应物的扩散和产物的析出。此外，催化剂中引入的碳框架能够改善导电性，并在较温和的条件下实现MoSe?的合成，进一步优化了催化剂的性能。

实验结果表明，当CMO-Z-Se作为阴极催化剂时，仅需98 mV（相对于可逆氢电极，RHE）即可在10 mA cm?2的电流密度下实现高效反应；而作为阳极催化剂时，所需电压为1.316 V（相对于RHE），同样在10 mA cm?2的电流密度下表现出优异的性能。在尿素电解系统中，CMO-Z-Se || CMO-Z-Se的电池电压最低，表明其在提高反应效率方面具有显著优势。在模拟海水的0.5 M NaCl电解液中，加入0.5 M尿素后，电催化性能得到明显改善，CMO-Z-Se作为阴极催化剂仅需114 mV（相对于RHE）即可实现反应，而作为阳极催化剂则需要1.319 V（相对于RHE）。这种性能的提升表明，尿素辅助的海水电解不仅能够降低反应的过电位，还能有效抑制ClER的发生，从而提高整体的反应选择性和效率。

此外，在尿素辅助的海水裂解系统中，CMO-Z-Se || CMO-Z-Se的电池电压仅为1.545 V，这一结果在保持优异稳定性的同时，显著降低了能耗。这表明，将OER替换为UOR是一种可行的策略，能够加速整体的水裂解反应。同时，尿素辅助的海水电解系统在阳极和阴极均能够增强反应动力学，从而提高整体的反应效率。因此，这种催化剂的设计不仅有助于解决海水电解中的关键问题，还为开发高效的、可重复使用的电催化材料提供了新的思路。

本研究的核心在于对MOF衍生催化剂的结构进行合理的调控和设计。通过引入MOF前驱体，不仅能够优化反应条件，还能够实现对CoSe?和MoSe?的协同合成，从而提升催化剂的整体性能。实验结果显示，该催化剂在多种电解液体系中均表现出良好的适应性和稳定性，包括1.0 M KOH、1.0 M KOH+0.5 M尿素、1.0 M KOH+0.5 M NaCl以及1.0 M KOH+0.5 M尿素+0.5 M NaCl等。在这些体系中，CMO-Z-Se的性能均优于传统催化剂，尤其是在尿素辅助的条件下，其电催化活性和效率得到了显著提升。

值得注意的是，在含有尿素的NaCl电解液中，CMO-Z-Se的阳极氧化反应电位仅为1.32 V（相对于RHE），比在纯NaCl电解液中的电位降低了0.24 V。这一结果表明，尿素的引入能够有效降低反应的过电位，从而提高整体的反应效率。同时，在双电极电解器中，CMO-Z-Se在海水-尿素体系中的电压也低于在纯海水体系中的表现，进一步验证了其在实际应用中的优势。因此，该催化剂的设计不仅解决了海水电解中的关键问题，还为开发高效、低成本的海水裂解系统提供了新的可能。

本研究的创新点在于对MOF衍生催化剂的结构进行了多层次的优化。通过控制合成过程，研究人员成功地在纳米花状结构上生长出菱形十二面体结构，同时形成了高度多孔的电极架构。这种结构不仅提高了催化剂的比表面积，还改善了反应物的扩散和产物的析出效率，从而显著提升了整体的反应性能。此外，引入的碳框架不仅能够改善导电性，还能够在较低的温度和压力条件下实现MoSe?的合成，进一步降低了合成成本。

从实验结果来看，CMO-Z-Se在多种电解液体系中均表现出优异的性能，尤其是在尿素辅助的条件下。这表明，尿素不仅能够作为反应物参与氧化反应，还能够通过其自身的化学特性改善电解液的电催化性能。因此，尿素辅助的海水裂解系统不仅能够提高反应效率，还能够实现废水的资源化利用，具有重要的环境和经济意义。此外，该催化剂在实际应用中表现出良好的稳定性，表明其在长期运行过程中不易发生结构劣化或性能下降，具有较高的可行性。

在实际应用中，海水电解技术的推广面临着多个挑战，包括反应条件的控制、催化剂的性能优化以及系统的经济性。然而，本研究提出的方法提供了一种新的解决方案，通过合理设计催化剂的结构，能够有效降低反应的过电位，提高整体的反应效率，并实现废水的净化和资源化利用。这不仅有助于解决海水电解中的技术瓶颈，还为可持续的氢气生产提供了新的思路。

综上所述，本研究通过引入MOF衍生的催化剂结构，成功地开发出一种高效、稳定的电催化材料，用于尿素电解和尿素辅助的海水裂解。该催化剂的设计不仅解决了海水电解中的关键问题，还为未来大规模的可持续氢气生产提供了新的技术路径。随着可再生能源的发展，海水电解技术有望成为一种重要的能源储存和转化方式，为实现碳中和目标做出贡献。