Modulating Urea Oxidation by Iron-Accelerated Reconstruction and Tailoring Anionic Microenvironment

化学 双功能 阳极 过电位 电化学 双金属片 纳米片 无机化学 尿素 电极 化学工程 催化作用 纳米技术 电子转移 组合化学
作者
Zhanhong Zhao,Yi Zhou,Tingting Kang,Xinfeng Wu,Shengming Jin,Mingliang Yuan,Xinghua Chang
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:65 (10): 5465-5477
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c05485
摘要

Anodic small-molecule electro-oxidation offers a promising route to couple low-energy hydrogen production with value-added chemical transformations. Nevertheless, Ni-based anodes for urea oxidation (UOR) are constrained by sluggish reconstruction, interfacial poisoning, and mass-transport limitations. Here we engineer self-supported Fe-doped Ni 3 S 2 nanosheet arrays and advance a cooperative bimetallic active-site–anionic microenvironment regulation strategy. Operando spectroscopy and electrochemical analyses reveal that Fe dopants act as an electronic pump, accelerating the formation of a Ni(Fe)OOH surface skin and weakening Ni–S bonds to trigger anion-derived reconstruction. Under operating potentials, an operando-generated interfacial SO 4 2– layer mediates proton-coupled electron transfer while electrostatically suppressing carbonate adsorption, thereby alleviating the single-site Sabatier constraint via multisite synergy and enhancing activity and selectivity. The optimized electrode delivers 200 mA cm –2 at 1.355 V (vs RHE) for UOR and exhibits bifunctional capability with a hydrogen-evolution overpotential of 59 mV at 10 mA cm –2 . This mechanism-driven paradigm of interfacial gating and coreconstruction provides a transferable blueprint for UOR and, more broadly, anodic small-molecule electro-oxidations.
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