氰根桥联Ni-Fe双金属电催化剂实现高效尿素氧化【科学指南针·计算支持·2025】

中南大学常兴华教授团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表创新研究成果，通过氰根桥联Ni-Fe双金属电催化剂设计，成功实现高效尿素氧化反应。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力反应机理深度解析。

研究背景与尿素氧化挑战

单金属电催化剂在尿素氧化反应（UOR）中面临关键挑战，难以同时优化关键中间体的吸附与解吸行为，导致反应动力学迟滞。氰根桥联结构凭借其优异的电子传输能力和可调控的三维骨架结构，为构建高效UOR催化剂提供了理想平台。

​技术瓶颈分析：​​

• 传统单金属催化剂难以优化NH₂和CONH₂等中间体吸附行为

• 反应动力学迟滞制约污染治理与能源转化应用

• 传统普鲁士蓝类似物存在金属离子相分离问题

• 氰基结构稳定性差，易在反应中解离

创新方法：氰根桥联结构设计

本研究提出构筑氰根桥联Ni-Fe双金属催化剂（Ni₂Fe(CN)₆），通过液相共沉淀合成结合介质阻挡放电（DBD）等离子体技术进行结构重组与性能优化。

​技术核心创新：​​

• 利用氰根桥联结构构建功能分化的活性位点

• 通过DBD等离子体技术实现结构重组优化

• 协同调控氨基转移、C–N键断裂和N–N耦合过程

• 显著提升UOR催化效率与稳定性

材料合成与结构表征

采用液相共沉淀法成功制备具有普鲁士蓝类似结构的NiFe[Fe(CN)₆]前驱体，通过DBD处理实现结构优化。

​结构特征验证：​​

• XRD图谱显示典型的立方相衍射特征

• 红外与拉曼光谱揭示双重配位环境存在

• EDS元素映射证实Ni、Fe、C和N元素分布均匀

• DBD处理后材料保持原有粒径与形貌结构

图1 双金属UOR催化剂合成及其结构特征

DBD处理与结构优化

通过DBD处理对NiFe[Fe(CN)₆]前驱体进行表面重构调控，实现氰根桥结构的精准优化。

​处理效果显著：​​

• 氢等离子体作用下实现氮端Fe(Ⅲ)的选择性还原

• 构建稳定的Fe(Ⅱ)-CN-Ni(Ⅱ)配位环境

• XPS显示Fe 2p和Ni 2p能级出现明显偏移

• FTIR与拉曼结果印证配位环境有效调控

图2 DBD处理实现结构优化和重组

电化学性能测试

系统评估催化剂的电化学性能，DBD处理展现出显著的性能提升效果。

​性能表现优异：​​

• 在100 mA cm⁻²下的反应电位仅为0.479 V

• 塔菲尔斜率分析显示更快的反应动力学

• 电化学阻抗谱表明电荷转移电阻降低

• UV-vis验证优异的尿素降解能力

图3 UOR性能测试

反应机理深度解析

结合原位光谱与理论分析，揭示氰根桥联结构在尿素氧化反应中的关键作用。

​机理研究突破：​​

• 原位拉曼显示氰根作为电子通道促进金属协同氧化

• 原位FTIR揭示关键中间体生成路径

• 电子转移数测试显示有效电子转移过程

• 构建三阶段协同催化机理模型

图4 UOR催化机理

研究总结与展望

本研究通过DBD改性技术调控氰根桥联结构，构建了高效的Ni₂Fe(CN)₆双金属尿素氧化电催化剂。

​创新价值总结：​​

• 实现氰根桥联结构的精准调控与优化

• 揭示双金属功能分工的协同催化路径

• 为高效UOR电催化剂设计提供新思路

• 推动尿素氧化反应在能源转化中的应用

论文信息：Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2025, 375, 125414

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