由化石能源过度使用引起的能源与环境问题严重制约了人类社会的可持续发展，使开发可再生清洁能源迫在眉睫。氢气，由于具有能量密度高、清洁无污染等优点，被认为是理想的能源载体。与传统的热化学制氢途径相比，电解水是一种清洁、高效的制氢技术。但是由于受限于缓慢的阳极析氧反应（OER）动力学，使其效率不高。因此，研究人员致力于发展高效的催化剂来降低反应过电位。最近，通过利用热力学更有利的尿素的氧化反应（UOR）替代OER过程来实现高效节能的制氢过程。但是在该途径中UOR过程仍要经历多电子过程，因此需要开发高催化活性的UOR催化剂以提高反应速率；同时，制备具有UOR和HER活性的双功能催化剂，将会简化材料制备过程。
近日，聊城大学李瑞庆博士、南京大学王学斌教授和法国Université Montpellier大学朱亚超博士报道了一种生长于泡沫镍基底的Ni3N/Ni0.2Mo0.8N异质结构的纳米棒阵列催化剂（Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF），其在碱性条件下对HER和OER均具有出色的催化性能，并研究了其作为尿素氧化反应催化剂的应用。该电极用于水电解和尿素电解时，分别仅需1.487和1.348V即可达到10mA cm-2的电流密度。该工作以”Hierarchical Ni3N/Ni0.2Mo0.8N heterostructure nanorods arrays as efficient electrocatalysts foroverall water and urea electrolysis”为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上。
要点1：该工作通过简单的两步反应在NF上合成了具有异质结构的Ni3N/Ni0.2Mo0.8N纳米棒阵列催化剂。SEM图显示产物由均匀纳米棒阵列组装的微米球组成，HRTEM图像显示出清晰的晶格条纹，HAADF-STEM图像表明Ni、Mo和N元素在纳米棒中均匀分布。
图1.Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF电极的形貌和物相表征。
要点2：Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF电极具有优异的HER活性和稳定性，在碱性和中性体系中实现10和200mV cm-2的电流密度，分别仅需要55、207mV和65、285mV的较低过电位，而且具有较好的动力学性能。经过长期稳定性测试后，Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF的物相和形貌结构基本没有发生变化。
要点3：Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF表现出出色的OER和UOR性能。对于UOR，其可实现10和200mA cm-2超低工作电压，分别为1.328和1.406V，明显低于传统OER过程所需的工作电势。对稳定性测试后的形貌和物相进行分析，认为催化反应形成的NiO和具有高价态的Mo物种为实际的催化活性位点。
图2.Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF的OER和UOR性能测试。
要点4：在两电极电解槽中，使用Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF作为整体尿素电解的阳极和阴极，仅需低电压1.348mV可输送10mA·cm-2的电流密度，催化性能显著优于整体水电解的性能，并且具有近100%的HER、OER和UOR的法拉第效率。
图3.Ni3N/Ni0.2Mo0.8N/NF用于水电解和尿素电解时的性能测试。
Hierarchical Ni3N/Ni0.2Mo0.8N heterostructure nanorods arrays as efficient electrocatalysts foroverall water and urea electrolysis, Chemical Engineering Journal, 2021,409, 128240.
