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Accessible Ni‐Fe‐Oxalate Framework for Electrochemical Urea Oxidation with Radically Enhanced Kinetics

草酸盐 材料科学 塔菲尔方程 无机化学 析氧 X射线光电子能谱 制氢 催化作用 电化学 电解 化学工程 电解质 电极 化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Jiseon Kim,Min Cheol Kim,Sang Soo Han,Kangwoo Cho
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (25) 被引量:16
标识
DOI:10.1002/adfm.202315625
摘要

Abstract Urea oxidation reaction (UOR) has been utilized to substitute the oxygen evolution reaction (OER), to escalate the energy conversion efficiency in electrochemical hydrogen generation processes with denitrification of widespread urea in wastewater. This study reports breakthroughs in Ni‐based UOR electrocatalysts, particularly with NiFe oxalate (O‐NFF), derived from Ni 3 Fe alloy foam with prismatic nanostructures and elevated surface area. The O‐NFF achieves cutting‐edge performances, representing 500 mA cm −2 of current density at 1.47 V RHE and exceptionally low Tafel slope of 12.1 mV dec −1 (in 1 m KOH with 0.33 m urea). X‐ray photoelectron/absorption spectroscopy (XPS/XAS) coupled with density functional theory calculations unveil that oxalate ligands induce charge deficient Ni center, promoting stable urea‐O adsorption. Furthermore, Fe dopants enhance oxalate‐O charge density and H‐bond strength, facilitating C‐N cleavage for N 2 and NO 2 − formation. The extraordinary UOR kinetics by the tandem effects of oxalate and Fe prevent Ni over‐oxidation, corroborated by operando XAS, minimizing OER interference. It agrees with an adaptive reconstruction to Fe‐doped β‐NiOOH on top surface in extended urea electrolysis with marginal loss in UOR kinetics. This findings shed light to bimetal‐organic‐framework as (pre)catalysts to improve industrial electrolytic H 2 production.
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