Small:先进催化剂设计理念在尿素氧化相关能源转化技术中的应用

尿素氧化(UOR)是驱动尿素能源转化技术的基本反应之一,包括尿素电解制氢、尿素光电分解制氢和尿素燃料电池。这些技术得益于相似或要求更低的运行条件,可媲美当前更受关注的电解水制氢、光水解制氢和氢燃料电池,从而具有潜力成为另一类高效能源转化途径。此外,尿素主要来源于人类生活、农业畜牧和工业生产,也是影响土壤和水体的主要污染物之一。因此,基于UOR的技术在实现能源转化的同时也成为了一种污染物治理的有效手段,可谓“一石二鸟”和“变废为宝”。

虽然尿素能源转化技术有着诸多优势,高效UOR催化剂的设计和生产仍是实现尿素能源转化技术大规模应用的关键之一。近期北京航空航天大学空间与环境学院朱秉钧和北京大学工学院邹如强回顾和总结了近年来UOR催化剂的设计和合成及其在尿素电解制氢、尿素光电分解制氢和尿素燃料电池中应用的相关研究,相关综述文章发表在Small期刊上(DOI:10.1002/smll.201906133)。

目前,尿素能源转化技术的效率主要受到尿素氧化反应中6电子转移过程的限制,因此高效的UOR催化剂仍是提升反应速率和降低反应壁垒的重要手段。得益于优异的UOR催化活性,镍是当前在UOR相关研究中应用最为广泛的过渡金属元素。同时,也有部分工作涉及钴基、锰基和铁基催化剂的研究。虽然不同UOR催化剂可能使用不同过渡金属元素,然而其设计理念却有着诸多相似之处,许多策略还借鉴于早期电解水和氢燃料电池催化剂的相关研究工作。例如:

1)通过提升材料的比表面积和多级孔结构增强孔道结构中反应物和产物的传递以及多孔材料表面活性位点的暴露。

2)通过多孔基质材料负载和分散具有UOR催化活性的金属颗粒,从而获得高度分散和纳米尺寸的催化活性位点。同时,催化剂的性能提升也可能通过增强活性位点与基质之间的界面接触或电子传递实现。

3)通过修饰活性位点增强催化剂与尿素分子之间的相互作用。活性位点的修饰可以通过氮化、磷化、硫化、双金属协同和异质结构等方法实现。特别是部分研究工作针对尿素分子的固有特性(同时存在给电子基团氨基和吸电子基团羰基),设计活性位点的结构(例如同时利于亲电子和亲核活性位点形成的肖特基结),从而有的放矢地修饰活性位点与尿素分子的相互作用方式。

总而言之,UOR的相关研究提供了一种同时实现能源转化和污染治理的技术思路,因而成为另一种区别于当下氢能源转化技术的可行方案。尿素能源转化技术的推广和产业化还需基于高效UOR催化剂的开发,然而当前UOR催化剂的相关研究主要借鉴早期氢能源转化技术邻域中相关催化剂的设计理念和合成策略,从而限制了UOR催化剂性能进一步的提升。因此,一方面,UOR催化剂的设计要更关注尿素分子本身的性质,设计理念需与早期氢能源转化技术的催化剂有所区别。另一方面,UOR催化剂的相关研究需通过与工业界的进一步合作,探索规模化生产和降低生产成本的方法以及催化剂在大型电解池和燃料电池中的实际性能。