CTAB介导多孔氧化镍/石墨复合材料的形貌调控及其高效尿素电氧化性能研究

本研究针对尿素氧化反应(UOR)动力学缓慢的问题，通过CTAB介导的共沉淀法调控NiO纳米结构形貌（纳米球/立方体/微米花），发现NiO纳米立方体在3M KOH中仅需1.35V即可达到10mA/cm2电流密度，较无尿素体系降低280mV，其暴露活性位点和独特形貌显著提升催化性能，为低成本非贵金属催化剂设计提供新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，传统化石燃料燃烧导致的温室效应问题日益严峻。氢能因其142MJ/kg的高能量密度被视为理想替代能源，而电解水制氢技术中阳极氧析出反应(OER)的4e^-过程动力学缓慢成为瓶颈。更棘手的是，工业含尿素废水直接排放会转化为致癌亚硝酸盐，而现有贵金属催化剂（Pt/Rh）成本高昂且稳定性差。这些矛盾催生了对新型催化材料的迫切需求——既要实现废水资源化利用，又要突破反应能垒限制。

印度理工学院（根据原文署名单位推测）的研究团队创新性地通过表面活性剂CTAB调控，在石墨基底上构建了三种形貌的NiO纳米材料。研究发现立方体形貌的NiO在尿素氧化反应(UOR)中展现出1.35V@10mA/cm²的优异性能，相关成果发表于《Materials Research Bulletin》。研究采用共沉淀法结合不同沉淀剂（氢氧化钠/草酸铵/尿素）调控形貌，通过X射线衍射(XRD)和电化学阻抗谱(EIS)分析材料特性，在3M KOH+0.33M尿素体系中测试线性扫描伏安(LSV)曲线评估催化活性。

形貌调控机制
PXRD证实所有样品均为立方晶系NiO（JCPDS No.47-1049），CTAB引导的(200)晶面择优生长使S2样品呈现暴露更多活性位点的立方体形貌。场发射扫描电镜(FESEM)显示纳米立方体(S2)具有0.45nm晶格条纹的清晰边缘结构，而微米花(S3)由片状结构自组装形成。

电化学性能突破
在3M KOH电解液中，NiO纳米立方体(S2)的UOR起始电位比OER降低280mV，塔菲尔斜率仅58.9mV/dec，远优于纳米球(S1)的98.3mV/dec。电化学活性表面积(ECSA)测试表明S2具有最高C_dl值(2.31mF/cm²)，其多孔结构促进电解质渗透，电荷转移电阻(R_ct)较S1降低67%。

稳定性与机理
连续循环伏安(CV)测试2000次后，S2电流密度保持率达94%，原位拉曼光谱证实γ-NiOOH/Ni(OH)₂氧化还原对是活性中心。密度泛函理论(DFT)计算显示立方体(200)晶面对尿素分子的吸附能(-2.31eV)显著强于其他形貌。

该研究开创性地建立了NiO形貌-活性构效关系：立方体形貌通过暴露高指数晶面优化了电子转移路径，其多孔结构加速传质过程，CTAB模板效应实现的各向异性生长策略为设计非贵金属催化剂提供了普适性方法。将工业废水处理与清洁能源生产耦合的创新思路，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。