Density Functional Theory Investigation of the NiO@Graphene Composite as a Urea Oxidation Catalyst in the Alkaline Electrolyte

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作者
Shun Lu,Matthew Hummel,Shuai Kang,Rajesh Pathak,Wei He,Xueqiang Qi,Zhengrong Gu
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:6 (22): 14648-14654 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acsomega.1c01758
摘要

Developing efficient and low-cost urea oxidation reaction (UOR) catalysts is a promising but still challenging task for environment and energy conversion technologies such as wastewater remediation and urea electrolysis. In this work, NiO nanoparticles that incorporated graphene as the NiO@Graphene composite were constructed to study the UOR process in terms of density functional theory. The single-atom model, which differed from the previous heterojunction model, was employed for the adsorption/desorption of urea and CO2 in the alkaline media. As demonstrated from the calculated results, NiO@Graphene prefers to adsorb the hydroxyl group than urea in the initial stage due to the stronger adsorption energy of the hydroxyl group. After NiOOH@Graphene was formed in the alkaline electrolyte, it presents excellent desorption energy of CO2 in the rate-determining step. Electronic density difference and the d band center diagram further confirmed that the Ni(III) species is the most favorable site for urea oxidation while facilitating charge transfer between urea and NiO@Graphene. Moreover, graphene provides a large surface for the incorporation of NiO nanoparticles, enhancing the electron transfer between NiOOH and graphene and promoting the mass transport in the alkaline electrolyte. Notably, this work provides theoretical guidance for the electrochemical urea oxidation work.
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