Artificial Heterointerfaces with Regulated Charge Distribution of Ni Active Sites for Urea Oxidation Reaction

电催化剂 催化作用 动力学 化学 阳极 纳米片 析氧 化学工程 无机化学 材料科学 电极 电化学 物理化学 有机化学 工程类 物理 量子力学
作者
Lei Chen,Lei Wang,Jin‐Tao Ren,Haoyu Wang,Wenwen Tian,Minglei Sun,Zhong‐Yong Yuan
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:8 (12): e2400108-e2400108 被引量:35
标识
DOI:10.1002/smtd.202400108
摘要

In contrast to the thermodynamically unfavorable anodic oxygen evolution reaction, the electrocatalytic urea oxidation reaction (UOR) presents a more favorable thermodynamic potential. However, the practical application of UOR has been hindered by sluggish kinetics. In this study, hierarchical porous nanosheet arrays featuring abundant Ni-WO3 heterointerfaces on nickel foam (Ni-WO3/NF) is introduced as a monolith electrode, demonstrating exceptional activity and stability toward UOR. The Ni-WO3/NF catalyst exhibits unprecedentedly rapid UOR kinetics (200 mA cm-2 at 1.384 V vs. RHE) and a high turnover frequency (0.456 s-1), surpassing most previously reported Ni-based catalysts, with negligible activity decay observed during a durability test lasting 150 h. Ex situ X-ray photoelectron spectroscopy and density functional theory calculations elucidate that the WO3 interface significantly modulates the local charge distribution of Ni species, facilitating the generation of Ni3+ with optimal affinity for interacting with urea molecules and CO2 intermediates at heterointerfaces during UOR. This mechanism accelerates the interfacial electrocatalytic kinetics. Additionally, in situ Fourier transform infrared spectroscopy provides deep insights into the substantial contribution of interfacial Ni-WO3 sites to UOR electrocatalysis, unraveling the underlying molecular-level mechanisms. Finally, the study explores the application of a direct urea fuel cell to inspire future practical implementations.
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