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Ligand‐Engineered p ‐Orbital Occupancy Modulation Activates Lattice Oxygen for Efficient and Selective Urea Electrooxidation

材料科学 氧气 析氧 塔菲尔方程 电化学 插层(化学) 无机化学 氢氧化物 阳极 氧化还原 化学工程 离子 电子转移 吸附 动力学 极化(电化学) 催化作用 离子交换 电子传输链 氧气输送 电极 尿素 活化能 格子(音乐) 电催化剂 制氢
作者
Ying Lu,Nannan Li,Jianping Zhang,Kun Zhang,Yinglong Weng,Jin‐Yong Lee,Haifeng Zhang,Xiaotong Han,Jieshan Qiu
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (5)
标识
DOI:10.1002/aenm.202505178
摘要

ABSTRACT Electrochemical urea oxidation reaction (UOR) offers a promising alternative to oxygen evolution reaction (OER) in water electrolysis, enabling simultaneous energy‐efficient hydrogen production and urea‐rich wastewater remediation. However, sluggish kinetics and the inevitable competition from OER, especially at high anodic potentials, continue to impede its practical application. Herein, we report a ligand‐engineered NiFe layered double hydroxide intercalated with trifluoroacetate (CF 3 COO – ), termed CF 3 ‐LDH, to address these limitations. Leveraging the strong electron‐withdrawing nature of the –CF 3 group, CF 3 COO – drives electron transfer from Ni and Fe centers to the ligand, thereby lowering the local electron density, stabilizing high‐valent Ni (2+δ)+ and Fe (3+α)+ species, and unlocking the reactivity of adjacent lattice oxygen sites. In situ spectroscopic analyses reveal that CF 3 COO – intercalation suppresses NiOOH formation and mitigates OH – oversaturation, thus attenuating the parasitic OER pathway and ensuring UOR selectivity. Theoretical calculations further confirm that the lattice oxygen sites with engineered p ‐orbital occupancy reduce the energy barriers of key UOR steps and optimize the adsorption of critical intermediates. As a result, CF 3 ‐LDH exhibits superior UOR activity, requiring only 1.32 V to reach 10 mA cm −2 with a Tafel slope of 29 mV dec −1 . When integrated into an anion exchange membrane (AEM) electrolyzer, the system delivers 100 mA cm −2 at just 1.36 V at 60°C and maintains stable operation over 200 h. This work highlights the efficacy of ligand‐directed lattice oxygen activation in promoting pathway‐selective UOR and presents a viable strategy for designing high‐performance anodes toward integrated clean hydrogen generation and wastewater treatment.
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