近日，华中科技大学王春栋团队联合科廷大学邵宗平团队在国产顶刊《eScience》发表题为“Deciphering the origin of the advanced urea oxidation performance of nickel-based catalysts”的研究论文。研究围绕镍基催化剂在尿素氧化反应中活性Ni-O物种易过度氧化、反应选择性下降这一关键问题，提出d-p耦合界面动态电荷缓冲策略，并验证其在尿素燃料电池和含尿素废水处理中的应用潜力。
研究构建PBA/LDH d-p耦合界面动态调控Ni-O活性环境
研究团队通过一步水热法使NiFe普鲁士蓝类似物发生部分开裂，并在其表面原位生长NiFe-LDH纳米片，形成t-NFPBA@LDH核-壳型异质结构。在-O-Ni-N≡C-界面上，Ni 3d轨道与氰基配体p轨道形成耦合通道，使-N≡C-单元能够随电位变化进行可逆电荷重分配。原位拉曼和准原位XPS表明，在尿素参与时，Ni/O价态不再持续升高，而是进入相对稳定的平台区间，原位化学耦合界面是稳定中间Ni-O状态的关键。电化学测试显示，t-NFPBA@LDH在1.40 V下的周转频率约0.18 s-1、质量活性约0.37 A mg-1，并能在200 mA cm-2稳定运行220 h。原位ATR-SEIRAS与理论计算进一步表明，中间Ni(OH)O相关环境有利于尿素以O端吸附并沿保持C-N骨架的路径逐步脱氢，从而促进N2生成，过度氧化的NiOO相关环境则更容易诱导C-N键提前断裂和CNO-副产物形成。
图1. 尿素氧化性能、Ni-O动态演化及界面协同稳定机制
图2. 尿素-H2O2燃料电池与尿素去除性能
在应用验证中，研究团队以t-NFPBA@LDH为阳极构建尿素-H2O2燃料电池。在5.0 M KOH、0.66 M尿素和85 ℃条件下，器件峰值功率密度达到21.70 mW cm-2，恒流运行时间达到100 h；尿素去除率约为92.26%，且在人工尿液中仍可实现约84.11%的尿素去除率。
研究意义与后续方向
该研究的核心贡献在于揭示：镍基UOR催化剂的高性能并不单纯来自更高价Ni物种，而取决于反应过程中Ni-O配位和价态能否被动态维持在适宜区间。研究团队利用PBA氰基配体的氧化还原响应性，构筑-O-Ni-N≡C-界面，使其像“电子缓冲器”一样吸收和释放电荷；同时，尿素脱氢产生的H/e⁻反馈又可及时消耗过度氧化的Ni-O物种。这一界面-底物协同机制为兼顾UOR活性、N2选择性和长期稳定性提供了新的设计原则，也为利用含氮废水实现能量回收和资源循环提供了材料基础。
从应用角度看，t-NFPBA@LDH在高电流密度下表现出长期稳定性，并已完成燃料电池、放大电极和人工尿液体系验证。与此同时，目前集中制备和运输高浓度H2O2仍存在现实限制，复杂尿液组分会引起竞争吸附和表面干扰，Ni(OH)O相关活性环境的精确结构仍需更高时间与空间分辨率的原位技术进一步确认。下一步可围绕真实废水连续流反应器、大面积电极传质优化及长期失活机理展开研究，以推动该体系由概念验证走向工程应用。
此项工作是团队在小分子电催化、界面电子结构调控和氮循环资源化方向的阶段性成果。研究从动态反应条件出发，将界面电子调节、活性物种演化、选择性控制和器件应用联系起来，为高性能镍基尿素氧化催化剂的理性设计提供了新的理论框架。近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果（J. Am. Chem. Soc., 2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c09107；J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 29949; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1174; Chem. Rev. 2025, 125, 3165; eScience, 2026, 100641. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504923; Energy Environ. Sci., 2025, 18, 7624; Nano Lett, 2026, 26, 712; Nano Lett. 2025, 25, 16459; ACS Catal. 2025, 15,17155; ACS Catalysis, 2024, 14, 12051; ACS Nano, 2026, 20, 3476; ACS Nano, 2024,18,1214；ACS Nano, 2023, 17, 10906; Adv. Mater, 2024, 2400523; Adv. Mater., 2025, 38, e14840; Adv. Funct. Mater，2026, e75256; Adv. Funct. Mater. 2026, e00025; Adv. Funct. Mater, 2024, 2408823; Adv. Funct. Mater, 2024, 2408872; Adv. Funct. Mater, 2024, 2401011; Adv. Funct. Mater., 2023, 2303986; Chem Catalysis, 2023, 100840；Sci. Bull. 2025, 70, 2215; Sci. Bull, 2022, 67, 1763）。
Deciphering the Origin of the Advanced Urea Oxidation Performance of Nickel-Based Catalysts, eScience, 2026, 100641.
https://doi.org/10.1016/j.esci.2026.100641
