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Manipulating Trimetal Catalytic Activities for Efficient Urea Electrooxidation-Coupled Hydrogen Production at Ampere-Level Current Densities

安培 催化作用 电流(流体) 尿素 生产(经济) 制氢 材料科学 化学 化学物理 物理 有机化学 热力学 宏观经济学 经济
作者
Huachuan Sun,Zhiqiang Luo,Mingpeng Chen,Tong Zhou,Boxue Wang,Bin Xiao,Qingjie Lu,Baoye Zi,Kai Zhao,Xia Zhang,Jianhong Zhao,Tianwei He,Jin Zhang,Hao Cui,Feng Liu,Chundong Wang,Dingsheng Wang,Qingju Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (52): 35654-35670 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14406
摘要

Replacing the oxygen evolution reaction (OER) with the urea oxidation reaction (UOR) in conjunction with the hydrogen evolution reaction (HER) offers a feasible and environmentally friendly approach for handling urea-rich wastewater and generating energy-saving hydrogen. However, the deactivation and detachment of active sites in powder electrocatalysts reported hitherto present significant challenges to achieving high efficiency and sustainability in energy-saving hydrogen production. Herein, a self-supported bimetallic nickel manganese metal-organic framework (NiMn-MOF) nanosheet and its derived heterostructure composed of NiMn-MOF decorated with ultrafine Pt nanocrystals (PtNC/NiMn-MOF) are rationally designed. By leveraging the synergistic effect of Mn and Ni, along with the strong electronic interaction between NiMn-MOF and PtNC at the interface, the optimized catalysts (NiMn-MOF and PtNC/NiMn-MOF) exhibit substantially reduced potentials of 1.459 and -0.129 V to reach 1000 mA cm-2 during the UOR and HER. Theoretical calculations confirm that Mn-doping and the heterointerface between NiMn-MOF and Pt nanocrystals regulate the d-band center of the catalyst, which in turn enhances electron transfer and facilitates charge redistribution. This manipulation optimizes the adsorption/desorption energies of the reactants and intermediates in both the HER and UOR, thereby significantly reducing the energy barrier of the rate-determining step (RDS) and enhancing the electrocatalytic performance. Furthermore, the urea degradation rates of PtNC/NiMn-MOF (96.1%) and NiMn-MOF (90.3%) are significantly higher than those of Ni-MOF and the most reported advanced catalysts. This work provides valuable insights for designing catalysts applicable to urea-rich wastewater treatment and energy-saving hydrogen production.
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