毕红教授、陈平教授，Small：金属镍掺杂碳点作为一种高效稳定的尿素氧化电催化剂

毕红教授和陈平教授团队在《Small》上发表了关于金属镍掺杂碳点（Ni-CDs）作为高效稳定尿素氧化电催化剂的研究成果。 该研究选择碳点（CDs）作为催化剂载体，通过掺杂镍催化位点，制备出在低镍负载含量下具有出色催化性能的Ni-CDs催化剂。以下是详细介绍：研究背景随着社会发展，废水（如工业废水、农业废水、人类排泄物等）中尿素污染物增多，不经处理直接排放会导致水体富营养化，破坏环境。节能电解尿素技术得到高度认可，尿素电解取代普通水裂解，将动态电势从1.23 V移至仅0.37 V，有效节约电能，被认为是解决废水污染问题的有效途径。研究内容合成方法：采用一锅法工艺合成CDs，柠檬酸（CA）和尿素在160度水热处理8 h，然后在CDs溶液中加入硫酸镍，促进镍离子沉积，获得Ni-CDs。元素组成：CDs中含有C（67.2 at.%）、N（8.4 at.%）和O（24.4 at.%），Ni-CDs中含有C（69.1 at.%）、N（7.7 at.%）、O（22.1 at.%）和Ni（1.1 at.%）。配位情况：与Ni2?配位能力顺序为氨基氮羧基吡啶氮吡咯氮石墨氮，CDs不含氨基氮，Ni2?更倾向与羧基配位。Ni（2p）谱图表明Ni（2p3/2）和Ni（2p1/2）在Ni-CDs中共存，配位过程不显著改变Ni2?价态。润湿性：由于表面亲水性官能团丰富，电解液迅速渗透到Ni-CDs中，CDs和Ni-CDs亲水性相同，水溶液中的尿素亲水吸附到Ni-CDs表面催化活性位点上，可提高催化性能和Ni催化位点利用率。研究结果电催化性能：在KOH（1.0 M）溶液中，存在和不存在尿素（0.33 M）时，获得50 mA cm?2的电流密度，尿素氧化（UOR）的电势为1.36 V（过电势为0.98 V），远低于电催化产氢（1.82 V）。Ni-CDs电催化剂优良动力学归因于其暴露出的更稳定的Ni位点。在1.45 V时（vs. RHE），Ni-CDs的j值为250 mA cm?2，超过CDs的21.1 mA cm?2，表明Ni-CDs比CDs具有更优异的UOR反应性。电化学活性面积：Ni-CDs的电化学活性面积（ECSA）值为710，说明Ni-CDs催化剂为UOR提供了更多的活性位点。同时，Ni-CDs的法拉第效率在1.45 V时为92.4%，具有优异的法拉第效率。耐久性：在1.38 V下进行23 h的尿素氧化测试，j值略有下降，主要是由于尿素的消耗，试验23 h后j值保留率高达96%，表明Ni-CDs催化剂在UOR过程中具有优异的耐久性。电极表面气泡的吸附和分离导致测试曲线波动，但不影响其耐久性。结构完整性：通过TEM和XPS对UOR耐久性测试后的Ni-CDs样品进行表征，UOR后Ni-CDs的平均粒径为1.68 nm，与UOR前（1.65 nm）相似。0.28 nm的晶格距离在UOR后没有变化。XPS分析表明，UOR处理后的Ni含量与原始样品相似，Ni 2p、C 1s、N 1s和O 1s的高分辨率XPS谱与UOR测试前基本相同，说明Ni-CDs的形貌和结构未被UOR过程改变，保持了良好的结构完整性。实际应用：进一步考察了Ni-CDs在实际应用中的电催化性能，也具有高性能的电催化UOR活性，使其成为一种潜在的UOR催化剂。文章信息标题：Nickel-Doped Carbon Dots as An Efficient and Stable Electrocatalyst for Urea Oxidation作者：第一作者朱志伟，通讯作者陈平*，毕红*单位：安徽大学材料科学与工程学院链接：https://doi.org/10.1002/smll.202205234通讯作者简介毕红教授：安徽大学材料科学与工程学院博士生导师，教授。主要从事碳点纳米材料的研究，在碳点新材料的合成、发光性质调控及其作为光敏剂在肿瘤光动力治疗中的应用等方面取得系列进展，相关研究成果以通讯或者共通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.和Small等期刊上发表论文100余篇，英文合著2本，被引用3000余次。获得8项中国发明专利和1项荷兰发明专利授权。曾获得安徽省自然科学三等奖1项、省级教学成果三等奖1项、以及第五届中国创新挑战赛（浙江）暨2020年浙江省技术需求“揭榜挂帅”大赛生物医药行业现场赛一等奖1项。陈平教授：安徽大学材料科学与工程学院博士生导师，教授。主要从事电催化材料的研究，在清洁能源转化领域中的先进电催化材料的可控制备及机理研究等方面取得系列进展，获得一系列高活性、高选择性的过渡金属电催化剂和杂原子掺杂的非金属电催化剂，阐明了部分电催化材料其结构与性能的关系以及材料的电催化反应机制。以通讯作者或第一作者在Nature Energy, Ad