尿素氧化反應(yīng)是環(huán)境氨氮廢水處理的重要途徑，同時(shí)也是光電化學(xué)水裂解制氫中廣受關(guān)注的陽極半反應(yīng)。高效的尿素-亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化有助于實(shí)現(xiàn)人工氮循環(huán)的閉環(huán)，建立可持續(xù)的氮經(jīng)濟(jì)。然而，當(dāng)前光電催化尿素分解研究中往往面臨著緩慢的碳?氮鍵解離動(dòng)力學(xué)與低產(chǎn)物選擇性等問題。
在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，化學(xué)所光化學(xué)實(shí)驗(yàn)室趙進(jìn)才課題組章宇超等在光電催化氨氮廢水處理方面取得了一系列重要進(jìn)展（Angew. Chem. Int. Ed. 2022,61,e202214580；Angew. Chem.,Int. Ed.2024,63,e202316218；Energy Environ. Sci.2024,17,4681），揭示了光電化學(xué)全解池中偏壓分布的普遍規(guī)律與調(diào)控原則（Natl. Sci. Rev.2024,11,nwae053）。
最近，他們發(fā)現(xiàn)在氧化鎳修飾的N型硅光陽極表面，捕獲態(tài)空穴與吸附態(tài)尿素之間存在強(qiáng)吸引作用，其可誘發(fā)近乎無能壘的氮–氧偶聯(lián)過程，繼而削弱尿素分子中碳–氮鍵的成鍵能力并提升尿素分解動(dòng)力學(xué)。定量結(jié)果顯示，當(dāng)表面空穴（高價(jià)鎳–氧物種）覆蓋度由0提升至1時(shí)，尿素分解活化能從0.74 eV降低至0.41 eV，對(duì)應(yīng)的尿素分解速率提升超兩個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步地，通過增加輻照強(qiáng)度促進(jìn)表面空穴累積，在1.08 VRHE的低偏壓下實(shí)現(xiàn)了100 mA cm?2的工業(yè)級(jí)光電流密度。這一工作為提升光電催化尿素氧化活性提供了新策略。
相關(guān)研究成果發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition(DOI: 10.1002/anie.202423457)。論文第一作者為博士生黨昆，通訊作者為章宇超研究員。
光電催化尿素分解過程中的吸附質(zhì)-吸附質(zhì)相互作用
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