华中科技大学王春栋课题组ACB：二维MOF表面硫化策略在尿素燃料电池研发中的应用

二维MOF表面硫化策略在尿素燃料电池研发中的应用

第一作者：敖翔

通讯作者：蔡卫卫*，马汝广*，王春栋*

通讯单位：华中科技大学

尿素氧化反应(UOR)是决定基于尿素的能量转换系统性能的关键反应，其在缓解能源危机和环境问题方面有着至关重要的作用。 然而UOR这样一个复杂的6电子转移过程，要想实现其高效彻底的催化氧化绝非易事。

目前UOR催化剂的研究主要围绕Ni基，包括氧化镍，氢氧化镍和硫化镍等。MOF具有孔道大小可控、比表面积高，且电催化活性高的特点是一种非常具有应用潜力的电催化剂，然而其较低的导电性和稳定性限制了其广泛实际应用。

基于此，华中科技大学王春栋课题组在Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Sulfurization-Functionalized 2D Metal-Organic Frameworks for High-Performance Urea Fuel Cell”的研究文章。

该研究文章通过对二维MOF材料表面进行部分硫化处理原位生成界面结构用于电催化尿素氧化(UOR)。从活性和稳定性双重角度深入剖析了硫化物与MOF界面之间的相互作用及催化作用机理。发现适当的硫化处理能提高材料的比表面积，促进反应物质的转移及活性位点的暴露。并且通过实验和理论研究证明界面处的杂化作用会诱导电荷的重新分布并提高电子传输速率。最终优化所得的催化剂材料表现出了优异的电催化活性和稳定性，有望作为UOR催化剂实现高效电解水制氢及尿素燃料电池。

要点一：对二维MOF进行可控硫化处理原位形成界面结构

通过一步水热硫化的方式控制硫化反应时间在MOF表面原位生长一层硫化物形成了异质界面结构。

要点二：所制备催化剂在半电池测试和实际尿素燃料电池测试中均表现出优异的UOR催化活性

线性扫描伏安曲线表明最优样品NiCo-BDC-S-6仅需要1.326 V (vs. RHE)的驱动电势就能达到10 mA cm^-2 的电流密度。图3d显示了商业Pt/C，NiCo-BDC和NiCo-BDC-S-6的计时电路曲线，结果表明部分硫化后MOF的催化稳定性得到提高，并且优于商业Pt/C催化剂。相比于析氧反应(OER)，UOR的驱动电位要低很多，因此此催化剂可以通过驱动UOR取代OER完成水分解制氢，大幅降低制氢能耗。此外，当作为UOR催化剂用于尿素燃料电池时，此催化剂也表现除了优异的性能。

要点三：理论研究表明，界面处电子的再分配对电催化反应过程有利。

异质结界面的构造有效提升了催化剂的导电性，有利于电荷传输。差分电荷密度表明界面处发生了电子的再分配，证实了MOF与表面硫化物之间的相互作用。而催化剂对关键中间产物的吸附自由能揭示了异质界面协同系统的优越性。

王春栋， 男，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心双聘副教授、博士生导师，国家重点研发计划（国际合作重点专项）项目负责人，华中卓越学者。

2013 年毕业于香港城市大学物理与材料科学系，获博士学位；2013 年-2015 年先后在香港城市大学，香港科技大学，比利时荷语鲁汶大学担任高级助理研究员，高级副研究员，鲁汶大学 F+研究员，比利时弗拉芒政府科学基金会FWO学者。2015 年加入华中科技大学光学与电子信息学院，任副教授/博导至今。

研究工作主要包括低维固体材料中特殊电子态与本征物性的构效关系，能源存储与转换器件及系统，自旋催化，单原子纳米酶等。

王春栋副教授是香港城市大学优秀博士论文奖（ 2013 年全校 7 个）获得者，获评湖北省“楚天学者”计划楚天学子（ 2015 年），澳门大学杰出访问学者(澳门大学人才计划；2019)，华中卓越学者晨星岗(2020), 是美国材料学会(MRS)会员, 欧洲材料学会(EMRS)会员, 中国化学学会会员。担任 Frontier in Chemistry 客座编辑，General Chemistry杂志编委，Advanced Powder Materials 杂志特聘编委，Exploration青年编委，Rare Metals青年编委。

长期担任 Adv. Func. Mater., Nano Energy, ACS Nano, ACS Appl. Mater. Interf., J. Catalysis 等四十余个国际著名杂志审稿人/仲裁人，塞尔维亚国家自然科学基金和香港研究资助委员会（RGC）国际评审专家。在J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Adv. Func. Mater., Nano Energy, Research 等杂志发表 SCI 论文 150 余篇，其中第一作者及通讯作者100余篇（含高倍引7篇，热点2篇），他引5000余次， H^-因子 43。先后主持国家重点研发计划，基金委面上项目，湖北省重点研发等项目十余项。

课题组主页：https://apcdwang.wixsite.com/hust-cdwang

Sulfurization-functionalized 2D metal-organic frameworks for high-performance urea fuel cell

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322005276