電化學(xué)尿素氧化反應(yīng)（UOR）分解為促進(jìn)能量轉(zhuǎn)化提供了一條可持續(xù)、環(huán)保的途徑，但在長(zhǎng)時(shí)間的操作中，活性位點(diǎn)的缺乏阻礙了尿素分解的持續(xù)效率。基于此，倫敦大學(xué)學(xué)院何冠杰教授和武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授等人報(bào)道了一種原子異質(zhì)結(jié)構(gòu)工程策略，通過(guò)合成獨(dú)特的Ru-O4配位單原子催化劑（Ru1-Ni(OH)2）來(lái)促進(jìn)活性物質(zhì)的生成。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該催化劑在泡沫Ni上的Ru負(fù)載質(zhì)量為40.6 μg cm-2，具有商業(yè)可行性。在各種實(shí)際情況下，其具有優(yōu)異活性和長(zhǎng)期耐久性，包括100 h鋅-尿素-空氣電池運(yùn)行，100 h堿性尿液電解，以及在工業(yè)水平電流密度下膜電極組裝（MEA）系統(tǒng)中超過(guò)400 h的穩(wěn)定制氫。

VASP解讀

通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算，作者研究了Ru原子位點(diǎn)提高UOR性能的原因。隨著電位的增加，對(duì)比Ni(OH)2，Ru1-Ni(OH)2催化劑表面OH-的消耗和尿素分子的吸附速度明顯快于Ni(OH)2，同時(shí)出現(xiàn)了CO2和CO32-。

結(jié)果證實(shí)，引入原子Ru位點(diǎn)可以顯著促進(jìn)OH-吸附，生成活性NiOOH，從而加快UOR。在UOR過(guò)程中，與對(duì)照組樣品相比，Ru1-Ni(OH)2具有非常豐富的NiOOH活性物質(zhì)，且信號(hào)更強(qiáng)烈。在1 M KOH+ 0.33 M尿素的電解液中，Ni3+-O峰直到施加電位達(dá)到1.42 V時(shí)才產(chǎn)生，表明尿素脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子會(huì)插入到羥基上，抑制Ni(OH)O中間體的積累，進(jìn)一步形成NiOOH物質(zhì)。

此外，NiOOH模型作為動(dòng)態(tài)活性物質(zhì)，通過(guò)DFT計(jì)算揭示了單原子Ru的作用。NiOOH和Ru1-NiOOH之間的Bader電荷差異表明，當(dāng)錨定單原子Ru時(shí)，Ni原子更難以失去電子，因此具有富電子狀態(tài)。不同的電荷密度進(jìn)一步證實(shí)了Ru原子周圍的電子耗盡區(qū)。因此，引入單原子Ru后，金屬位點(diǎn)的重分布電荷密度調(diào)節(jié)了電子轉(zhuǎn)移，有利于尿素的分裂過(guò)程。

Balancing Dynamic Evolution of Active Sites for Urea Oxidation in Practical Scenarios. Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE03258B.