Nickel ferrocyanide as a high-performance urea oxidation electrocatalyst

过电位 催化作用 尿素 电催化剂 无机化学 化学 亚铁氰化物 分解 氧化还原 制氢 化学工程 电化学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Shi-Kui Geng,Yao Zheng,Shanqing Li,Hui Su,Xu Zhao,Jun Hu,Haibo Shu,Mietek Jaroniec,Ping Chen,Qinghua Liu,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:6 (9): 904-912 被引量:485
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00899-2
摘要

Urea is often present in waste water but can be used in powering fuel cells and as an alternative oxidation substrate to water in an electrolyser. However, an insufficient mechanistic understanding and the lack of efficient catalysts for the urea oxidation reaction have hampered the development of such applications. Here we demonstrate that a nickel ferrocyanide (Ni2Fe(CN)6) catalyst supported on Ni foam can drive the urea oxidation reaction with a higher activity and better stability than those of conventional Ni-based catalysts. Our experimental and computational data suggest a urea oxidation reaction pathway different from most other Ni-based catalysts that comprise NiOOH derivatives as the catalytically active compound. Ni2Fe(CN)6 appears to be able to directly facilitate a two-stage reaction pathway that involves an intermediate ammonia production (on the Ni site) and its decomposition to N2 (on the Fe site). Owing to the different rate-determining steps with more favourable thermal/kinetic energetics, Ni2Fe(CN)6 achieves a 100 mA cm−2 anodic current density at a potential of 1.35 V (equal to an overpotential of 0.98 V). Urea oxidation could be a lower-energy alternative to water oxidation in hydrogen-producing electrolysers, but improved catalysts are required to facilitate the reaction. Geng et al. report nickel ferrocyanide as a promising catalyst and suggest that it operates via a different pathway to that of previous materials.
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