导语
将含尿素废水处理与清洁制氢相结合，是极具前景的绿色能源技术，但其核心催化剂面临活性与稳定性难以兼得的挑战。近日，湖南大学费慧龙教授、叶龚兰助理教授及香港城市大学李威宏教授团队在催化领域顶级期刊《ACS Catalysis》 上发表重要研究成果。该团队通过 >1000°C的瞬时微波热冲击 技术，成功制备出石墨烯包覆的非晶/晶相异质结镍催化剂 。该独特结构能加速电化学重构 ，在尿素氧化反应中仅需1.358 V的低电位 即可驱动100 mA cm⁻²的高电流，性能显著超越多数已报道催化剂，为高效尿素能源转化系统提供了关键材料解决方案。
🔍 研究亮点
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创新结构设计 ：利用微波热冲击构建非晶/晶相异质结核心，兼具高活性与结构稳定性。
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超快反应动力学 ：在100 mA cm⁻² 电流密度下过电位仅1.358 V ，Tafel斜率低至21.9 mV dec⁻¹，表明反应动力学极快。
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机制深度揭示 ：异质结促进重构形成富含空位的活性NiOOH，有效降低C-N键断裂能垒。
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节能应用潜力 ：组装的尿素电解全系统，相比传统水电解节能约15%。
📊 图文解析
图1：异质结结构的多尺度表征
合成示意图及表征结果清晰揭示了材料的独特构造。XRD谱图显示微弱的镍衍射峰，表明大量非晶相存在。HRTEM图像直观展示了"核壳"结构：内核为镍纳米颗粒，外壳为3-5层石墨烯。最关键的证据来自FFT图谱，其中同时存在代表晶态区域的明亮衍射斑点 和代表非晶区域的弥散环 ，直接证实了非晶/晶相异质结的成功构筑。XAS分析进一步表明异质结中镍位点配位高度不饱和，为后续快速重构奠定了基础。
图2：卓越的电催化性能
电化学测试数据全面展示了性能优势。线性扫描曲线显示，A/C-Ni@G达到100 mA cm⁻²的电位比晶态对照样品低约60 mV。其21.9 mV dec⁻¹的Tafel斜率 和0.7 Ω的极低电荷转移电阻 ，共同证实了其优异的反应动力学与电子传输能力。旋转环盘测试表明在宽电位窗口内对尿素氧化具有接近100%的选择性。实际组装的两电极尿素电解系统，在相同电流下电压比水电解系统低0.25 V，节能效果显著。
图3 & 图4：动态重构过程与机理阐明
通过原位XRD和EXAFS监测，研究发现A/C-Ni@G在施加电位后能快速、彻底地重构为无定形氢氧化镍物种 ，且该物种富含配位空位。与之对比，晶态对照样品的重构则缓慢且不完全。原位红外光谱在异质结催化剂表面检测到更强的中间体CNO⁻信号 ，证明其C-N键断裂能力更强。DFT理论计算从电子结构层面给出解释：重构形成的富空位活性位点d带中心更靠近费米能级，不仅降低了自身形成的能垒，也优化了对反应中间体的吸附，从而全面加速了反应。
图5：清晰的"结构-性能"关系图
该示意图系统对比了不同催化剂的反应路径，清晰揭示了本工作的核心逻辑：非晶/晶相异质结结构 → 加速电化学重构 → 形成高浓度活性空位 → 高效催化尿素脱氢。这张图将复杂的机制以简洁直观的方式呈现，阐明了性能提升的根源。
⚙️ 技术支撑
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瞬时微波高温热冲击系统：实现>1000°C的超快速加热与冷却，是形成亚稳态异质结结构的关键。
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原位光谱表征平台：集成原位XRD、XAS、ATR-FTIR等，实时追踪催化剂在反应过程中的动态结构演变。
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理论计算与模拟：通过DFT计算电子结构、反应能垒，从原子尺度揭示构效关系，指导材料设计。
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标准电化学测试体系：采用三电极及两电极系统，全面评估本征活性、选择性与器件级节能效果。
💎 总结与展望
本研究通过精巧的微波热冲击合成与结构设计，成功构筑了可加速动态重构的非晶/晶相异质结催化剂，有效解决了尿素电氧化反应动力学缓慢的难题。其创新性在于将异质结界面工程 与电化学重构调控 相结合，利用重构后产生的高活性富空位物种，显著降低了反应的决速步能垒。所制备的催化剂在活性、选择性与稳定性 方面均表现突出，并展示了可观的节能潜力。这项工作不仅为尿素能源转化提供了高性能催化剂，其 "通过结构设计调控重构行为" 的策略也为开发其他高效电催化材料提供了普适性新范式。
文献信息
Rapid Reconstruction of Amorphous/Crystalline Heterojunction Boosts Nickel-Catalyzed Urea Electrooxidation.
Zhichao Gong, Mengyi Xu, Pengbo Li, Gonglan Ye, Weihong Li, Huilong Fei.
ACS Catalysis, 2025, 15, 20958-20967.
DOI: 10.1021/acscatal.5c07570