Rare Metals 河南科技大学任凤章：二维金属基催化剂在尿素氧化反应中的最新进展

     2024年05月22日

二维金属基催化剂在尿素氧化反应中的最新进展

黄奇祥，王芳*，柳勇*，张碧滢，郭方亚，贾中秋，王浩，杨天翔，吴海涛，任凤章*，伊廷锋*

河南科技大学材料科学与工程学院

洛阳理工学院环境工程与化学学院

东北大学材料科学与工程学院

苏州科技大学化学与生命科学学院

河南省太阳能转换与锂钠电池材料国际联合实验室

 

【文献链接】

Huang, QX., Wang, F., Liu, Y. et al. Recent progress of two-dimensional metal-base catalysts in urea oxidation reaction. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02668-y

 

【背景介绍】

氢气作为最重要的高热值清洁能源之一而愈发受到重视，电解水是一种理想的清洁制氢手段，但是阳极的析氧四电子转移反应导致缓慢的动力学（V RHE=1.23 V），需要高的反应电压。尿素氧化具备远低于析氧反应的低理论电位（V RHE=0.37 V），能够更高效的提高能量转化效率，此外，二维材料由于层状结构普遍具备较大的表面积，机械性能和良好的导电性，在尿素氧化催化过程中相较于块体材料具备更好的催化稳定性和催化活性。

【原文摘要】

尿素氧化反应（UOR）是近年来发展起来的一种替代氧进化反应、降低能耗的辅助水电解制氢技术，它能以较低的理论电势更高效地制氢，降低电化学制氢的平均成本，是可再生氢能的前沿研究热点。二维纳米材料的应用作为电催化剂具有许多有利的潜力，如它能有效降低材料的电阻率，并增加比表面积等。本文综述了二维材料在碱性电解质中 UOR 的应用。并横向比较了各种材料的性能数据，包括过电位、塔菲尔斜率、电化学活性表面积（ECSA）和 i-t 稳定性测试，从而说明了由不同元素组成的材料之间的差异。此外，还总结并展望了阻碍尿素电催化过程中二维材料研究进展的主要挑战以及该领域未来的前景材料。我们相信这篇综述将有助于设计和分析用于水电解的高性能二维尿素电催化剂。

 

【文章亮点】

1.根据组成元素的区别系统归纳了近期金属基二位催化剂在尿素氧化反应中的研究进展。

2.分析总结了各类催化剂的优势和亟待优化的问题。

3.对目前二维UOR催化剂所面临的问题和挑战进行了展望。

 

【内容简介】

日前，河南科技大学任凤章教授课题组和洛阳理工学院王芳教授、东北大学伊廷锋教授在Rare Metals上共同发表了题为“Recent progress of two-dimensional metal-base catalysts in urea oxidation reaction”的综述文章， 对金属基二维尿素电催化剂的近期研究进展进行了归纳总结，罗列了不同催化剂的优劣势及目前的优化方法，并提出了二维催化剂的未来研究的挑战和前景。

本文分析并综述了近年来过渡金属基化合物二维催化剂在尿素辅助电解水制氢领域的研究进展。此总结了在催化尿素氧化中起重要作用的元素以及可以增强催化剂性能或稳定性的掺杂元素。根据元素组成的不同，可分为贵金属和过渡金属基催化剂，其中过渡金属基催化剂分为过渡金属（氢）氧化物、过渡金属硫族化合物、过渡金属磷化物和二维MOF结构。横向对比了不同催化剂近期研究的电化学性能，总结了不同催化剂在尿素氧化反应中的优劣势及改进方法，最后总结了二维UOR催化剂目前提升的方向，并对一些还未实际应用于UOR中的二维材料进行了展望。

 

【图文解析】

当Ni、Co作为UOR中的主要活性位点时，能够带来相对于其他金属基催化剂更显著的低反应电位，本片综述以镍/钴基催化剂为中心，根据化合物元素组成进行了分类，分别从本征性能，修饰手段和计算结果对每一分类进行了总结，随后归纳出每种化合物的优劣势。最后作者强调了二维UOR催化剂面临的主要挑战和部分具有潜在尿素催化潜力的2D催化剂，旨在帮助快速设计和分析用于尿素辅助水电解的高性能二维催化剂。

 

【作者简介】

任凤章，男，河南科技大学教授，博士生导师。河南省特聘教授，河南省科技创新人才(杰青、杰人）计划获得者，河南省优秀教师，河南省优秀共产党员。主持和参加完成国家自然科学基金项目、国家高技术研究发展计划、国家重点研发计划、科技部创新方法工作专项等国家级项目11项，主持完成省部级项目7项。获省部级科学技术进步奖二等奖3项、三等奖4项，省部级教学成果一等奖1项。获授权发明专利20余件。第一作者或通讯作者分别在Energy & Environmental Materials、Journal of Energy Chemistry、Journal of Materials Chemistry A、Nano Research、Materials Science and Engineering A等发表学术论文80余篇，出版学术著作7部。

王芳，女，洛阳理工学院教授。2004年硕士毕业于哈尔滨工业大学应用化学专业，2017年在北京理工大学获得化学工程与技术博士学位。2012年受国家留学基金委选派在美国密歇根理工大学化工学院Wenzhen Li课题组作访问学者，目前主要从事锂钠二次电池关键材料和电催化能源转化方向课题研究。发表论文60余篇，所在期刊包括Chem Eng J、Green Chem、ACS Appl. Mater. Interfaces.等；担任河南省高校科技创新团队带头人、河南省化学会理事、河南省科协评审专家、新加坡Viser出版集团专家委员会委员；Adv Funct Mater、Chem Eng J、ACS Appl. Energy Mater. 等学术期刊的审稿人及《Rare Metals》青年编委。

伊廷锋，东北大学教授、博士生导师，东北大学研究生院秦皇岛分院党委书记兼院长、秦皇岛分校学科建设处处长。先后入选安徽省技术领军人才(2013)、江苏省双创人才(2019)、河北省“三三三人才工程”第二层次人选(2019)、河北省普通本科院校教学名师(2021)、2019年度科睿唯安材料科学领域和交叉领域“Top 1%审稿人”、World’s Top 2% Scientists 2020榜单，2019年获河北省青年科技奖。担任《物理化学学报》编委、《Rare Metals》和《Chinese Chemical Letters》青年编委。主持国家自然科学基金项目4项，省部级项目6项，其他项目近20项。以第一/通讯作者身份在Coordination Chemistry Reviews、Nano Energy、Nano Today、Energy Storage Materials、Science Bulletin、Energy & Environmental Materials等国际期刊发表SCI论文160余篇，H因子为45，他引6000余次，22篇论文入选ESI高被引论文数据库，3篇论文入选ESI热点论文数据库。授权排名第一发明专利13项，合作出版专著4部，其中，作为主编编著的《锂离子电池电极材料》一书入选化学工业出版社“中国制造2025”出版工程和“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。