二维 MXene 纳米片上氢氧化氧镍纳米颗粒的电沉积：一种高效的尿素电催化氧化基底

为解决能源与环境问题，研究人员制备 PGE/MXene-NiOOH 用于尿素氧化反应（UOR）等，可降低能耗制氢。

　　

研究背景

当今世界，人口增长与能源需求的矛盾日益突出，传统化石燃料在供应能源的同时，也给环境带来了沉重的负担，环境污染问题愈发严重。在这样的大背景下，寻找清洁、可再生的新能源迫在眉睫。水，作为地球上储量丰富且易于获取的资源，被视为解决能源危机的关键之一。通过水电解制氢（Water splitting），可以将水转化为氢气，氢气燃烧后只产生水，不会对环境造成任何污染，是一种理想的清洁能源。

然而，水电解制氢的过程并非一帆风顺。其中，阳极的析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER）动力学缓慢，这就好比在一场赛跑中，OER 这个选手跑得特别慢，导致整个制氢过程需要额外消耗大量的能量，成本居高不下。为了克服这个难题，科学家们把目光投向了一些有机分子，如甲醇、乙醇和尿素。这些有机分子在阳极能够快速被氧化，如果用它们来替代水参与反应，就有可能降低制氢过程中的过电位，从而降低能耗。

在这些有机分子中，尿素引起了研究人员的特别关注。尿素不仅是环境中的一种污染物，大量存在于废水之中，会对人体和动物健康造成危害，引发多种疾病。而且，尿素在自然界中很容易被氧化。如果能够利用尿素电解来处理富含尿素的废水，同时实现能源生产，那无疑是一举两得的好事。但遗憾的是，尿素氧化反应（Urea Oxidation Reaction，UOR）的动力学受到阳极 6 电子转移缓慢的限制，就像道路拥堵一样，阻碍了反应的顺利进行。因此，设计具有高催化活性、低毒性和高稳定性的电催化剂成为了推动 UOR 发展的关键。

来自阿塞拜疆沙希德?马达尼大学（Azarbaijan Shahid Madani University）的研究人员开展了一项研究，他们成功制备了一种基于二维 MXene 纳米片修饰的铅笔石墨电极负载氢氧化氧镍纳米颗粒（PGE/MXene-NiOOH）的高效电催化剂，并将相关研究成果发表在《Heliyon》上。这项研究为解决能源与环境问题提供了新的思路和方法，具有重要的意义。

研究方法

在这项研究中，研究人员主要运用了多种技术方法来制备和表征电极材料，并研究其电化学性能。

1. 材料制备技术：通过化学方法合成 MXene 纳米片，即使用氢氟酸（HF）去除原始Ti3?AlC2?结构中的 Al 阳离子，经过搅拌、离心、洗涤、干燥等一系列操作得到 MXene 纳米片。随后采用电沉积法，在优化的条件下将氢氧化氧镍（NiOOH）纳米颗粒沉积在 PGE/MXene 电极表面，制备出 PGE/MXene-NiOOH 电极。
2. 材料表征技术：利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察电极材料的形貌和结构，直观地了解纳米颗粒和纳米片的分布情况。通过电化学阻抗谱（EIS）研究电极反应的动力学，获取电荷转移电阻等重要信息，以此评估电极的导电性能和催化活性。运用循环伏安法（CV）研究电极的电化学行为，如氧化还原反应的发生情况、电流密度的变化等，从而判断电极的性能优劣。

研究结果

1. 电极材料的制备与优化：研究人员通过 chronoamperograms 研究发现，MXene 纳米片的存在显著提高了电极的阴极电流，增加了电极的表面积和电活性位点。经过一系列实验优化，确定了电沉积 Ni 的最佳条件为：施加电位 - 0.6 V（vs. Hg/HgO），沉积时间 20 s。在后续的活化过程中，大部分金属镍转化为氢氧化镍（Ni(OH)2?），进而生成具有催化活性的氢氧化氧镍（NiOOH）12。
2. 电极材料的形貌与结构：FE-SEM 图像显示，PGE/NiOOH 呈现纳米球状形态，纳米球尺寸约为 55 nm；而 PGE/MXene-NiOOH 则呈现片状形态，对应于二维 MXene 纳米片，且在 MXene 纳米片上均匀分布着尺寸约 48 nm 的 NiOOH 纳米颗粒。这种结构增加了电极的表面积，为 UOR、HER 和 OER 反应提供了更多的活性位点3。
3. 电极的电化学性能：通过 CV 研究 OER 性能发现，PGE/MXene-NiOOH 在较低电位下即可发生 OER 反应，且其氧化还原峰电流密度明显高于 PGE/NiOOH。在不同电流密度下，PGE/MXene-NiOOH 的 OER 电位均低于 PGE/NiOOH。Tafel 曲线表明，PGE/MXene-NiOOH 的 Tafel 斜率更小，催化反应速度更快。EIS 结果显示，PGE/MXene-NiOOH 的电荷转移电阻最低，具有最高的电导率456。
4. UOR 性能研究：研究发现，UOR 在 PGE/MXene-NiOOH 上的发生电位比在 PGE、PGE/MXene 和 PGE/NiOOH 上更低。在不同恒定电位下，PGE/MXene-NiOOH 的 UOR 电流密度显著高于 PGE/NiOOH。Nyquist 图表明，PGE/MXene-NiOOH 在 UOR 中的电荷转移电阻最低，其 Tafel 斜率也低于 PGE/NiOOH，说明该电极能有效提高电催化反应速度。此外，研究还考察了尿素浓度对 PGE/MXene-NiOOH 响应的影响，发现反应机制受扩散控制789。
5. 电极的稳定性和实用性：稳定性测试表明，PGE/MXene-NiOOH 在 6200 s 后电流仅降低 0.3%，具有良好的稳定性。实际应用实验显示，在有尿素存在的情况下，PGE/MXene-NiOOH 在恒定电位下能提供更高的电流密度，且电位壁向更负的值移动 260 mV，这意味着可以在更低的能耗下通过水电解制氢。同时，电催化反应的产物为氮气和二氧化碳，对环境无害1011。

研究结论与意义

这项研究成功制备了一种基于氢氧化氧镍纳米颗粒修饰二维 MXene 纳米片的高效 UOR 电催化剂 PGE/MXene-NiOOH。NiOOH 纳米颗粒为 UOR 创造了活性位点，而 MXene 纳米片的层状结构和大比表面积进一步增加了活性位点的数量，二者协同作用提高了电子转移速率和电极的活性表面积。PGE/MXene-NiOOH 能够有效降低 UOR 的过电位，减少制氢过程中的能量消耗，为处理富含尿素的废水和生产清洁能源氢气提供了一种新的有效途径。这一研究成果在能源和环境领域具有重要的应用前景，有望为解决全球能源危机和环境污染问题贡献一份力量。