Highly efficient overall urea electrolysis via single-atomically active centers on layered double hydroxide

电催化剂 电解 过电位 催化作用 尿素 阳极 析氧 氢氧化物 化学 无机化学 电解质 阴极 化学工程 电化学 材料科学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Huachuan Sun,Linfeng Li,Hsiao‐Chien Chen,Delong Duan,Muhammad Humayun,Yang Qiu,Xia Zhang,Xiang Ao,Ying Wu,Yuanjie Pang,Kaifu Huo,Chundong Wang,Yujie Xiong
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:67 (17): 1763-1775 被引量:109
标识
DOI:10.1016/j.scib.2022.08.008
摘要

Anodic urea oxidation reaction (UOR) is an intriguing half reaction that can replace oxygen evolution reaction (OER) and work together with hydrogen evolution reaction (HER) toward simultaneous hydrogen fuel generation and urea-rich wastewater purification; however, it remains a challenge to achieve overall urea electrolysis with high efficiency. Herein, we report a multifunctional electrocatalyst termed as Rh/NiV-LDH, through integration of nickel-vanadium layered double hydroxide (LDH) with rhodium single-atom catalyst (SAC), to achieve this goal. The electrocatalyst delivers high HER mass activity of 0.262 A mg−1 and exceptionally high turnover frequency (TOF) of 2.125 s−1 at an overpotential of 100 mV. Moreover, exceptional activity toward urea oxidation is addressed, which requires a potential of 1.33 V to yield 10 mA cm−2, endorsing the potential to surmount the sluggish OER. The splendid catalytic activity is enabled by the synergy of the NiV-LDH support and the atomically dispersed Rh sites (located on the Ni-V hollow sites) as evidenced both experimentally and theoretically. The self-supported Rh/NiV-LDH catalyst serving as the anode and cathode for overall urea electrolysis (1 mol L−1 KOH with 0.33 mol L−1 urea as electrolyte) only requires a small voltage of 1.47 V to deliver 100 mA cm−2 with excellent stability. This work provides important insights into multifunctional SAC design from the perspective of support sites toward overall electrolysis applications.
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