催化学报

催化学报 ›› 2026, Vol. 89: 207-217.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65152-2

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MXene量子点诱导的Ni位点d带中心自优化用于先进光伏驱动尿素辅助水分解

姜宇峰a, 李少斌a,*(), 张丽a,*(), 杨洋a, 程坤a, 李峰博b, 吕晓晴a   

  1. a齐齐哈尔大学材料科学与工程学院,黑龙江省聚合物基复合材料重点实验室,黑龙江齐齐哈尔 161006
    b齐齐哈尔大学化学与化学工程学院,黑龙江齐齐哈尔 161006
  • 收稿日期:2026-01-06 接受日期:2026-02-21 出版日期:2026-10-18 发布日期:2026-09-01
  • 通讯作者: *电子信箱: shaobinli1985@qqhru.edu.cn (李少斌),
    03241@qqhru.edu.cn (张丽).
  • 基金资助:
    黑龙江省省属本科高校优秀青年教师基础研究支持计划(YQJH2024259);齐齐哈尔大学研究生创新科研项目(QUZLTS_CX2024029)

MXene quantum dots induced Ni site d-band center self-optimization for advanced photovoltaic-driven urea-assisted water splitting

Yufeng Jianga, Shaobin Lia,*(), Li Zhanga,*(), Yang Yanga, Kun Chenga, Fengbo Lib, Xiaoqing Lva   

  1. aCollege of Materials Science and Engineering, Key Laboratory of Polymeric Composite Materials of Heilongjiang Province, Qiqihar University, Qiqihar 161006, Heilongjiang, China
    bCollege of Chemistry and Chemical Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, Heilongjiang, China
  • Received:2026-01-06 Accepted:2026-02-21 Online:2026-10-18 Published:2026-09-01
  • Contact: *E-mail:shaobinli1985@qqhru.edu.cn(S. Li),03241@qqhru.edu.cn (L. Zhang).
  • Supported by:
    Program for Young Talents of Basic Research in Universities of Heilongjiang Province(YQJH2024259);Innovation Fund Project for Graduate Student of Qiqihar University(QUZLTS_CX2024029)

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摘要：

氢能是理想的清洁能源, 但传统电解水制氢受析氧反应高能耗限制. 利用含尿素废水进行电催化制氢的新策略, 因能同步降低能耗和实现含氮废水资源化而备受关注. 其理论电压远低于电解水, 且副产物更安全. 然而, 该技术的实际应用面临核心挑战: 尿素分子反应路径复杂, 而现有催化剂存在活性不足、易中毒、稳定性差等问题. 当前研究多孤立优化单个反应, 忽视了尿素氧化(UOR)与析氢(HER)在催化剂表面活性位点竞争、传质耦合与系统整合中的动态平衡, 导致实际能耗居高不下. 因此, 通过调控结构-性能-机理的规律, 开发兼具高效的双功能电催化剂, 是推动该技术取得突破的核心. 本文致力于应对这一挑战, 为发展高效、低能耗的集成化制氢与废水处理技术提供新方案.

本文通过电子态调控结合界面工程的策略, 引入MXene量子点(MQDs)与钼酸镍(NiMoO4)构建异质结构, 旨在协同优化UOR反应与HER反应性能. 成功设计并制备出一种具有独特纳米棒与纳米花复合形貌的NiMoO/MQDs催化剂, 实现了异质结构建与微观形貌调控的有效结合. 表征结果表明, 大量MQDs与NiMoO4基底间形成了广泛的异质界面, 这种结构不仅显著增加了材料的比表面积, 暴露了更多活性位点, 更重要的是诱发了Ni与Mo位点间显著的d-d轨道杂化, 从而优化了界面电荷分布与转移效率. 电化学测试数据验证了其优异的性能: 对于UOR, 达到10 mA cm-2电流密度仅需1.31 V的电压; 对于HER, 在相同电流密度下的过电位仅为55 mV. 当将其用于尿素辅助的全水解反应时, 整套装置在10 mA cm-2下的工作电压低至1.38 V, 展现出远低于传统水电解的能耗潜力. 此外, 该催化剂在海水电解及光伏驱动制氢体系中也表现出良好的应用性. 基于上述结果, MQDs的引入通过构建异质结, 有效调控了活性位点的电子结构, d-d轨道杂化为电荷转移提供了新路径, 从而显著降低了UOR与HER的反应能垒. 催化剂的高性能源于异质结构、形貌特征以及UOR/HER双活性位点间的功能协同. 同时利用原位拉曼光谱技术追踪了催化过程的动态变化. 结果明确显示, 在反应条件下催化剂表面的Ni物种会转化为高活性的NiOOH, 并主导了尿素分子的氧化过程. 这证实了异质结的电子调控作用不仅提升了电荷传输效率, 也稳定了反应关键中间体, 共同促进了高效催化.

综上, 本文为通过异质结界面工程与电子结构调控设计高效双功能催化剂提供了新策略, 所开发的NiMoO4/MQDs催化剂展示了低能耗、高稳定性尿素电解制氢的应用潜力. 未来, 本领域可进一步探索此类电子态调控策略的普适性, 深化对反应中间体的动态监测, 并推动其在集成化能源-环境系统中的实际应用.

关键词: 尿素氧化反应, 析氢反应, 异质结构, MXene量子点, 电荷再分布

Abstract:

Urea-assisted electrolytic water splitting for hydrogen production represents an effective contemporary strategy for generating green hydrogen. The sluggish kinetics of the anodic urea oxidation reaction (UOR) and cathodic hydrogen evolution reaction (HER) limit their practical application. The MXene quantum dots (MQDs) promote pronounced d-d orbital hybridization between Ni and Mo sites. The constructed heterostructures facilitate electron transfer and modulate charge redistribution. The extensive formation of heterostructures between numerous quantum dots and nickel molybdate results in the emergence of flower-like clusters at the tips of rod-like NiMoO4 particles. The augmentation of the specific surface area results in the exposure of a larger quantity of active sites, which facilitates the redistribution of charge across these active sites, consequently enhancing the hydrolytic activity. The electrocatalyst exhibits remarkable performance in both the UOR and HER, achieving 1.31 V and 55 mV at 10 mA cm-2, respectively. The catalyst for urea-assisted water electrolysis requires only 1.38 V at 10 mA cm-2. The prepared catalyst can be employed for seawater splitting and photovoltaic-driven hydrogen production. In-situ Raman spectrum confirms that Ni sites on the NiMoO4/MQDs surface transform into Ni-OOH under hydrolysis and subsequently govern the hydrolytic reaction. This work indicates that d-d orbital hybridization can provide pathways for electronic transitions, thereby enhancing charge-transfer efficiency and effectively lowering reaction energy barriers.

Key words: Urea oxidation reaction, Hydrogen evolution reaction, Heterostructure, MXene Quantum Dots, Charge redistribution