氮摻雜碳包覆的氧化鎳和鉬酸鎳復(fù)合材料用于尿素氧化電催化

徐立強,楊 星,張玉冰*,王新星*

(1.青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院,山東 青島 266042;2.貴州紅星發(fā)展股份有限公司,貴州 安順 561206)

隨著傳統(tǒng)化石燃料的消耗,能源危機日益加劇,發(fā)展新能源以及能源轉(zhuǎn)化技術(shù)變得越來越重要。由于尿素具有穩(wěn)定性好、能量密度高以及來源豐富等優(yōu)點,基于尿素的能量轉(zhuǎn)化技術(shù),如尿素電解制氫和尿素燃料電池等,近年來引起了人們的關(guān)注[1-4]。尿素氧化反應(yīng)(UOR)是上述能量轉(zhuǎn)化技術(shù)中的一個核心反應(yīng)。與傳統(tǒng)電解水所用的析氧反應(yīng)(OER,1.23 V)相比,UOR 的理論電位僅為0.37 V 。此外,將其作為陽極構(gòu)成直接尿素燃料電池,理論電位為1.15 V,非常接近氫燃料電池的理論開路電壓(1.23 V)。而且,尿素在污水中的含量高,利用電解法去除廢水中的尿素可有效避免尿素分解釋放氨造成環(huán)境污染。因此,發(fā)展基于尿素的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)既能提高能量轉(zhuǎn)率又能凈化污水,一舉兩得。然而,UOR的6電子轉(zhuǎn)移過程(CO(NH2)2+6OH-=N2+5H2O+CO2+6e-)造成自身動力學(xué)緩慢,限制了其實際應(yīng)用[5-10]。因此需要研發(fā)高催化活性和高穩(wěn)定性的催化劑材料。

貴金屬材料雖然顯示出了不錯的催化性能,但是稀缺性和高成本嚴(yán)重限制了其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。BOTTE等[11-13]證明了鎳(Ni)在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出比一些貴金屬(如鉑、銥和銠)更好的UOR 催化性能。從那時起,大量的Ni基材料被開發(fā)和研究用于堿性介質(zhì)中UOR 的高效電催化。此外,他還提出了Ni基催化劑的UOR 催化機理(間接電化學(xué)-化學(xué)機理):金屬Ni或Ni氫氧化物(氧化物)首先被氧化成Ni3+OOH 中間體,然后該中間體與尿素反應(yīng)生成CO2和N2,同時Ni3+OOH 中間體被還原成Ni2+或金屬態(tài)。……