最新UOR综述：应用于尿素氧化反应的过渡金属基催化剂

成果简介

尿素氧化反应(UOR)作为一种具有发展前景的可持续清洁能源技术，近年来受到了广泛关注。UOR作为一种可行的工艺，可以替代水分解制氧反应并同时修复废水将其转化为能源。这是由于UOR的理论热力学势为0.37 V(相对于可逆氢电极，RHE)远远低于析氧反应(OER;1.23 V vs. RHE)，并且由于尿素具有多功能性和稳定性，特别是在环境温度下，使其成为氢燃料电池的有吸引力的替代品。

由于UOR存在复杂的吸附/解吸过程，因此许多研究都致力于设计经济高效的催化剂。值得注意的是，具有可调节d轨道的过渡金属基材料在UOR过程中表现出了巨大的潜力。鉴于此，本文旨在通过对过渡金属基催化剂在UOR领域的前沿设计策略及其在不同应用领域进行深入和系统的概述。此外，该综述还深入探讨了现状和未来的发展方向。

图1. a)尿素来源及应用示意图 b) 2008年以来在尿素氧化催化剂领域发表的文章数量 c) UOR和OER的理论电位示意图

有鉴于此，来自吉林大学的崔小强教授、香港城市大学阮晓文博士以及Sai Kishore RAVI教授以针对材料设计的角度出发，对过渡金属基在UOR领域的最新发展提供了一个整体的视角。首先总结了目前UOR领域中过渡金属基催化剂的设计策略。此外，对过渡金属基UOR催化剂的应用领域进行了系统的总结，全面展现了过渡金属基UOR催化剂在不同领域的应用，展示了UOR领域的发展潜力和广泛的应用领域。

最后，对该领域当前面临的挑战和困难进行了详细总结并提出解决方案和未来展望。相关成果最新发表于Advanced Functional Materials，题为“Transition Metal-Based Catalysts for Urea Oxidation Reaction (UOR): Catalyst Design Strategies, Applications, and Future Perspectives”文章DOI：10.1002/adfm.202313309

图2. UOR催化剂的各种设计策略和应用示意图

图文导读

（一）催化剂设计策略

（1）形貌控制：通过在不同尺寸尺度(主要是微纳米水平)上精确控制材料的几何形状可以来设计具有定制表面形态的高活性催化剂。

（2）合金效应：与单金属催化剂相比，与其他元素(如二元或多元金属催化剂)形成合金提供了克服这些挑战的有效解决方案。各种金属元素之间的相互作用引起了电子配位结构的修饰降低了表面中毒效应。

（3）元素掺杂：掺杂剂与活性位点之间的强相互作用导致了协同效应，从而优化中间体的吸附和解吸能。

（4）缺陷工程：缺陷可以改变催化活性位点的配位结构，调节后的电子态提高了催化活性。

（5）相工程：与长期有序的晶体材料相比，非晶材料可以丰富电子结构，优化不饱和配位金属和缺陷。

（6）异质结构的构建：具有高比表面积的分层纳米结构可以增加表面活性位点的暴露，进一步促进电荷转移，提高电导率。

（7）杂交策略：催化材料在电化学过程中的聚集或溶解程度影响电催化剂的电化学稳定性。将具有高比表面积和高导电性的材料与过渡金属催化材料杂化，以锚定催化剂，增加暴露比表面积，加速电荷转移。

（8）其他策略：近年来出现了一些其他设计策略，使催化剂的设计更具目的性和有效性。比如激活晶格氧策略，拉伸应变策略等。

（二）UOR在不同领域的应用

UOR在能源转换技术和环境修复领域有着显著的应用。

（1）尿素电解制氢：电催化水解反应是一种高效的制氢途径，但析氧反应(OER)涉及多电子耦合的质子转移步骤，需要更高的过电位才能达到等效的电流密度。因此由于UOR低反应电位为0.37 V，远低于OER的1.23 V，具有较高的经济价值。

（2）直接尿素燃料电池(dufc)：DUFC不仅可以发电，还可以促进含有尿素的尿液和废水的降解，从而满足环境要求。

（3）光电化学尿素分解：光电化学(PEC)反应的基本机制取决于光激发，当电子驱动水还原导致氢的析出(HER)时，空穴促进UOR。鉴于其可持续和安全的性质，PEC驱动的尿素分解制氢作为一种有前途的方法正受到关注。

（4）废水处理：尿素电解是一种经济、环保的净化富尿素废水的方法。对尿素进行电解处理可以使其转化为危害较小的产品，使其更安全地排放到环境中。

（5）尿素传感器：尿素传感器用于测量人体血液中的尿素含量。这些传感器可以检测和测量生物样品中的尿素水平，这要归功于催化材料的电催化尿素氧化。

结论与展望

1、当前挑战：尿素氧化反应(UOR)电催化剂的发展面临着一系列挑战，如图3所示。这些挑战包括:
(1) 催化剂稳定性 (2) 催化剂活性 (3) 催化机理 (4) 工业可扩展性
为了应对这些挑战，必须采取有条不紊的方法。这需要深入探讨反应机理，辅以系统的可行性研究。通过揭示UOR过程的复杂细节，科学地促进催化剂设计效率和可扩展性的进步

图3. 过渡金属基UOR催化剂面临的主要挑战

2、解决方案：UOR催化剂的广泛应用和性能优化仍然面临着许多障碍和复杂性。如图4所示，我们在本节中概述了几个有希望的解决方案。这些解决方案通常涉及多种设计策略的组合，确保它们相互加强。这种多方面的方法使我们能够更有效地解决挑战的不同方面。

图4. 解决UOR困难和挑战的可行方案

3、结论与展望：本文从催化剂结构设计入手，通过总结和概括，阐明了催化剂结构设计与性能之间的关键环节。同时介绍了目前UOR催化机理的研究热点。近年来的研究主要集中在以下几个方面：新反应途径的发现、竞争反应OER的抑制、催化产物的选择性、催化活性物质的鉴定和生成以及键断裂。

尿素作为燃料电池内的燃料源的潜力已被研究。它的氧化可以将化学能转化为电能，使其可以用于水电解和随后的制氢。持续的研究有望开启尿素氧化更广泛的应用，从废水处理到先进的传感器技术，表明其解决紧迫环境和能源问题的潜力。当我们在能源转换的复杂道路中导航时，尿素氧化反应在科学进步的支持下，有可能在未来的能源格局中发挥关键作用。

作者简介

第一作者：徐珊

吉林大学材料科学与工程学院材料物理与化学专业2019级博士研究生，师从崔小强教授。主要研究方向为过渡金属基催化剂在电催化水分解反应，电催化尿素氧化反应及其他水分解替代反应中的研究与应用。

论文通讯作者：阮晓文博士

阮晓文博士，2023年毕业于吉林大学材料物理与化学专业，师从崔小强教授。2023年加入香港城市大学能源及环境学院任博士后，师从Sai Kishore RAVI教授。主要从事光降解污染物、光解水制氢、CO2还原的新型低维材料的构建及性能研究。目前以第一/通讯作者在Advanced Materials（3篇）, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等国际知名期刊上发表20余篇文章，其中3篇入选ESI高被引热点论文。

论文通讯作者：Sai Kishore RAVI

Sai教授是香港城市大学助理教授。博士毕业于新加坡国立大学，之后在新加坡国立大学担任研究员。Sai教授的研究兴趣包括：(1) 太阳能燃料（半人工光合作用、绿色氢气、光催化/生物催化CO2还原）；(2) 光介导/生物催化水处理、废水转化为能源技术、太阳能脱盐；(3) 可持续生物电子（生物电容器、自供电触觉传感器和电子纸）；(4) 功能性纳米纤维（空气过滤器、电子纺织品和个人热管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等国际著名期刊上发表论文，多个专利。

论文通讯作者：崔小强教授

吉林大学材料科学与工程学院教授/博士生导师，副院长。崔小强教授主要研究方向为能源催化材料，面向氢能综合利用、燃料电池汽车等国家重大战略需求，从原子尺度上开展高效催化剂的设计和制备研究。相关研究成果连续发表在Nature Communications（3篇）、AM（3篇）、JACS、AEM、AFM、Angew、Chem、Matter等学科顶级期刊，被多次正面引用。累计发表SCI论文180余篇，他引8000余次，H因子54；主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题（1项，712万）、国家自然科学基金面上项目（5项）等。申请国家发明专利43项，授权29项。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、吉林省“长白山学者”、吉林省第七批拔尖创新人才第三层次、吉林省第十六批享受政府津贴专家（省有突出贡献专家）、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林大学“三全育人”育人标兵等荣誉称号。担任中国材料研究学会青年工作委员会第七、第八届理事会理事（2011.10至今），中国材料学会纳米材料与器件分会首届理事会（2014.4至今）、中国有色金属学会贵金属学术委员会会员（2018.5至今）、中国材料学会终身会员（2021.2年至今）、《中国材料进展》期刊第五届编辑委员会青年委员（2021.4年至今）。