2023年6月20日，《Advanced Functional Materials》在线刊发了我院王春栋副教授关于低能耗电解水制氢的最新研究成果“Fluorinated Ni-O-C Heterogeneous Catalyst for Efficient Urea-Assisted Hydrogen production”。我院王春栋副教授为论文唯一通讯作者，我院博士生许雪飞、英国埃克塞特大学Habib Ullah博士为论文共同一作，华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。

图1.催化剂制备流程。

贵金属基催化剂（如Pt、IrO₂和RuO₂）已被证明对UOR表现出高催化活性，但面临着高成本和稀缺性的挑战。在非贵金属材料中，Ni基催化剂（如Ni基合金、氧化物、氢氧化物、磷化物和硫化物）表现出较高的UOR氧化电流密度。其中，NiO由于环境友好、成本效益和高耐腐蚀性而备受关注。然而，原始NiO的电催化活性远远不能令人满意。原因可能是Ni²⁺（t_2g6e_g2）具有高的e_g占有率，导致与反应中间体的强结合，不利于气体产物的解吸。为了优化反应中间体的吸附和解吸，研究者们开发出一种界面工程策略。据报道，过渡金属/过渡金属氧化物（TM/TMO）异质结可以削弱TMO对H*的吸收，进而促进碱性HER动力学。多层异质结构赋予TM/TMO优化的d带中心，导致先进的UOR活性。但是，NiO导电性较差，阻碍了界面处的电子传输。

图2.氟掺杂提升NiO/Ni@C催化活性的机理解析。

基于此，研究团队提出了一种简单的有机-无机杂化策略来制备F掺杂的NiO/Ni@C异质结结构。与传统的NH4F分解方法不同，含氟有机物的分解可以避免有毒HF的产生，同时有效地实现F掺杂。F-NiO/Ni@C仅需46 mV的HER过电位以及1.31 V的UOR电位，就在碱性介质中实现10 mA cm⁻²的电流密度。就尿素的整体分解而言，F-NiO/Ni@C || F-NiO/Ni@C电解槽在10和200 mA cm⁻²下的电势分别为1.37和1.57 V，优于最先进的Pt/C || RuO₂电池。此外，整体尿素电解槽实现了94.86%的尿素降解率，是原始NiO/Ni@C的4.02倍。理论计算表明，F掺杂加速了电子从Ni向NiO的转移，从而提升了NiO的本征催化活性，实现最佳的氢吸附吉布斯自由能和UOR能垒的降低。

此项工作是王春栋副教授团队在电催化剂设计方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 3, 1174 (封面论文);ACS Nano 2023, 17, 10906；Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Coord. Chem. Rev., 2023, 478, 214973; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109; Appl. Catal. B-Environ, 2022, 315, 121586; Appl. Catal. B-Environ., 2022, 305, 121088），并获得2022年湖北省自然科学三等奖（第一完成人）

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Fluorinated Ni-O-C Heterogeneous Catalyst for Efficient Urea-Assisted Hydrogen production

https://doi.org/10.1002/adfm.202303986