富电子 Mo 与缺电子 Ni 活性对构筑 MoN/Ni 异质结构用于高效尿素氧化反应研究概述
发布日期：2026-09-09 浏览次数：12
一、研究基本内容
电解水制氢是当前绿氢制备领域极具发展潜力的技术路线，但传统电解水阳极氧析出反应（OER）动力学缓慢，反应过电位高，大幅提升制氢能耗。尿素氧化反应（UOR）理论反应电位远低于 OER，将 UOR 替代 OOR 与阴极析氢耦合构建尿素辅助电解制氢体系，能够显著降低制氢槽压，同时实现废水中尿素污染物的资源化降解，是兼顾氢能生产与环境治理的耦合技术。镍基材料凭借储量丰富、成本低廉、UOR 催化活性优异等优势，成为 UOR 催化剂的主流研究体系。但镍基催化剂存在固有缺陷：阳极电位下易发生镍自氧化反应（NSOR），该副反应会消耗电能造成能量损耗；同时反应生成的含碳中间产物与 CO₂易强吸附在催化剂活性位点表面，堵塞活性中心，降低催化剂本征活性与长期稳定性，限制镍基 UOR 催化剂的实际应用。
针对上述瓶颈，本研究设计并制备 MoN/Ni 异质结构催化剂，通过异质界面调控优化 Ni 活性位点的电子结构，抑制镍自氧化副反应 NSOR。MoN 与 Ni 形成异质结后，界面电荷重新分布，构建出富电子 Mo 位点 - 缺电子 Ni 位点协同活性对。富电子 Mo 位点负责强化尿素分子的吸附，缺电子 Ni 位点抑制 NSOR 副反应发生，同时加速尿素分子活化、反应中间体快速转化以及产物 CO₂脱附，避免活性位点被吸附物种毒化。电化学测试结果表明，MoN/Ni 异质催化剂展现出优异 UOR 催化性能，电流密度达到 100 mA・cm⁻² 时，槽压仅约 1.39 V，性能优于大量以 NiOOH 作为活性位点的传统镍基催化剂。该工作证实异质界面构建电子活性对是优化 UOR 催化性能的有效策略，为开发低成本、高性能尿素氧化催化剂提供了全新思路。
二、研究方法
本研究综合采用材料制备、电化学测试、多尺度谱学表征与理论计算相结合的研究手段，从材料结构、电子态、电化学性能、反应机理多维度解析催化剂。
- 催化剂制备：制备 MoN/Ni 异质结构样品，金属氮化物与金属复合材料对氧气、水汽较为敏感，部分前驱体与产物在空气环境下易氧化变质，这一环节需要惰性环境保障。
- 材料表征：利用 X 射线光电子光谱（XPS）、X 射线吸收光谱（XAS）表征材料元素价态、电子转移情况，验证异质界面富电子 Mo、缺电子 Ni 活性对的成功构建；采用原位光谱表征技术，实时监测 UOR 反应过程中间体演变，追踪界面反应动态过程。
- 电化学性能测试：搭建三电极电化学体系，测试催化剂 UOR 极化曲线、阻抗、稳定性等电化学参数，评估催化活性。
- 理论计算：通过密度泛函理论（DFT）计算，模拟尿素分子、反应中间体在 Mo 位点与 Ni 位点的吸附能垒，解析电荷转移机制，从原子层面阐释富电子 Mo / 缺电子 Ni 协同催化机理，解释 NSOR 抑制的内在原理。
三、当前研究内容与研究进展
现阶段尿素氧化催化剂研究，主要聚焦于镍基材料改性，包括异质结构构筑、杂原子掺杂、缺陷工程等策略，核心目标是降低 UOR 过电位、抑制 NSOR 副反应、提升催化剂稳定性。传统镍基催化剂在 UOR 工作电位下，表层 Ni 极易自发氧化生成 NiOOH，也就是 NSOR 过程。该副反应不仅消耗电能，还会造成 CO₂吸附滞留，导致活性位点钝化。大量研究证明，构建金属 / 金属氮化物异质结可以调控界面电子分布，是解决该问题的有效路径。
本研究的创新进展，在于通过 MoN/Ni 异质界面实现定向电荷转移，分离出功能分工明确的双活性位点：富电子 Mo 负责捕获尿素反应物，缺电子 Ni 位点规避镍自氧化副反应，协同完成尿素催化氧化。相较于单一 Ni 基催化剂，该异质催化剂在大电流密度下表现出更低工作电压，100 mA・cm⁻² 电流密度仅需 1.39 V，在尿素辅助电解制氢场景具备明显优势。目前该方向研究大多停留在实验室小试阶段，重点集中在催化剂结构设计、反应机理解析；原位谱学与理论计算的结合，也进一步厘清 UOR 反应路径，为后续催化剂结构优化提供理论支撑。但该体系仍存在待突破问题：异质结构催化剂长时间电解工况下的界面稳定性、规模化制备工艺、电极工程放大等问题，仍需要持续深入研究。
四、研究中手套箱的核心应用环节解析
MoN 属于金属氮化物，金属氮化物、金属镍纳米材料及部分制备前驱体化学性质活泼，接触空气中的氧气、水汽极易发生氧化、水解，改变材料表面电子结构，破坏预先设计的 Mo-Ni 异质界面，直接干扰 XPS、XAS 等电子结构表征结果，造成实验数据失真，是该类研究必须规避的问题。在此类镍基金属氮化物异质催化剂研发中，手套箱是不可或缺的核心实验装备，主要应用场景分为以下几方面：
第一，催化剂样品制备与后处理。MoN/Ni 异质结构的高温氮化产物取出后，暴露空气会快速氧化，改变 Mo、Ni 位点电子状态。实验中可将氮化后的样品转移至惰性气氛手套箱（高纯 Ar 气氛，低水氧含量，H₂O、O₂含量通常维持＜0.1 ppm）内，完成研磨、分装、压片等样品前处理，隔绝空气，保留材料本征界面电子结构，保证富电子 Mo、缺电子 Ni 活性对不被空气氧化破坏。部分易氧化前驱体材料的称量、混合操作，也需要在手套箱内完成。
第二，敏感样品转移，保障谱学表征准确性。本研究核心表征手段 XPS、XAS 对样品表面状态极其敏感。一旦样品在空气中氧化，表面会生成氧化层，掩盖真实的界面电荷转移信息，无法验证富电子 Mo、缺电子 Ni 活性对的存在。借助手套箱配套的真空过渡仓，可将制备好的 MoN/Ni 样品在无空气暴露条件下，直接转移至 XPS、XAS 测试腔体，全程隔绝氧气水汽，获取材料原生表面的电子态信息，这也是该论文中电子活性对结论成立的实验保障。
第三，电化学测试电极制备与样品保存。部分粉末催化剂电极片制备，以及待测样品的长期存储，放置于手套箱惰性环境中，可以防止样品提前氧化，避免预氧化带来的 NSOR 本底干扰，保证电化学测试得到的 UOR 性能数据真实可靠。
综上，该 MoN/Ni 异质催化剂研究，从材料制备、样品转移、样品保存到高端谱学表征，都高度依赖低水氧惰性气氛手套箱。手套箱稳定可控的无水无氧环境，保护易氧化金属氮化物 / 金属异质结构，避免空气杂质破坏催化剂界面电子结构，保障材料电子结构表征、电化学性能测试数据真实可信，是金属氮化物电催化材料基础研究的关键基础设施。
尿素氧化耦合电解制氢技术，兼具绿氢制备与含尿素废水处理双重价值，契合双碳背景下氢能产业发展需求。镍基异质 UOR 催化剂是该领域研究热点，MoN/Ni 这类基于界面电子调控构建双活性对的设计思路，为下一代高性能 UOR 催化剂开发开辟新方向。
从学术层面，该研究证实异质界面电荷重构可有效抑制 NSOR 副反应，该策略可以拓展到其他金属氮化物、金属磷化物与过渡金属复合电催化体系，应用于 OER、析氢反应（HER）、CO₂还原等电催化领域。从产业化层面，尿素辅助电解制氢可以降低电解制氢能耗，利用农业、生活废尿素溶液作为原料，降低绿氢生产成本。但目前该类异质催化剂仍存在规模化制备难度大、长时间大电流工况稳定性不足等问题。未来研究一方面需要持续优化催化剂组成与结构，进一步降低过电位、提升耐久性；另一方面，电极放大、电解槽系统集成、低成本制备工艺开发，将推动 UOR 电解制氢技术走向实际工程应用。与之配套，无水无氧手套箱作为该类敏感电催化材料研发的核心装备，在实验室研发、中试样品开发阶段需求持续增长。金属氮化物、金属基电催化新材料研发，对手套箱水氧控制精度、样品转移配套接口、自动化操作能力都会提出更高要求，手套箱设备企业可以紧密跟随电催化前沿研究需求，为相关科研团队提供适配材料制备、原位表征联用的一体化惰性气氛解决方案。
参考：富电子Mo和缺电子Ni活性对在MoN/Ni异质结构中促进高效尿素氧化反应的显著作用（英文） - 中国知网
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=9FozRGRw00IQKmPLOEGL5HEImyG1LV3BYV50ZB-kazT_Y8ldsGnEz_WFfTAeHYzvIaJWkuekBrS8NUuFIX7VA0KWF6AUZkwsWSTtdYc_7styx4Rfa1iTapMrXOcwgT2b9k9gjHtItnc_LNJX-RVT-d1WDfGn_qDiY07vJiKq4Is4bNphS7YSXw==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
一、研究基本内容
电解水制氢是当前绿氢制备领域极具发展潜力的技术路线，但传统电解水阳极氧析出反应（OER）动力学缓慢，反应过电位高，大幅提升制氢能耗。尿素氧化反应（UOR）理论反应电位远低于 OER，将 UOR 替代 OOR 与阴极析氢耦合构建尿素辅助电解制氢体系，能够显著降低制氢槽压，同时实现废水中尿素污染物的资源化降解，是兼顾氢能生产与环境治理的耦合技术。镍基材料凭借储量丰富、成本低廉、UOR 催化活性优异等优势，成为 UOR 催化剂的主流研究体系。但镍基催化剂存在固有缺陷：阳极电位下易发生镍自氧化反应（NSOR），该副反应会消耗电能造成能量损耗；同时反应生成的含碳中间产物与 CO₂易强吸附在催化剂活性位点表面，堵塞活性中心，降低催化剂本征活性与长期稳定性，限制镍基 UOR 催化剂的实际应用。
针对上述瓶颈，本研究设计并制备 MoN/Ni 异质结构催化剂，通过异质界面调控优化 Ni 活性位点的电子结构，抑制镍自氧化副反应 NSOR。MoN 与 Ni 形成异质结后，界面电荷重新分布，构建出富电子 Mo 位点 - 缺电子 Ni 位点协同活性对。富电子 Mo 位点负责强化尿素分子的吸附，缺电子 Ni 位点抑制 NSOR 副反应发生，同时加速尿素分子活化、反应中间体快速转化以及产物 CO₂脱附，避免活性位点被吸附物种毒化。电化学测试结果表明，MoN/Ni 异质催化剂展现出优异 UOR 催化性能，电流密度达到 100 mA・cm⁻² 时，槽压仅约 1.39 V，性能优于大量以 NiOOH 作为活性位点的传统镍基催化剂。该工作证实异质界面构建电子活性对是优化 UOR 催化性能的有效策略，为开发低成本、高性能尿素氧化催化剂提供了全新思路。
二、研究方法
本研究综合采用材料制备、电化学测试、多尺度谱学表征与理论计算相结合的研究手段，从材料结构、电子态、电化学性能、反应机理多维度解析催化剂。
- 催化剂制备：制备 MoN/Ni 异质结构样品，金属氮化物与金属复合材料对氧气、水汽较为敏感，部分前驱体与产物在空气环境下易氧化变质，这一环节需要惰性环境保障。
- 材料表征：利用 X 射线光电子光谱（XPS）、X 射线吸收光谱（XAS）表征材料元素价态、电子转移情况，验证异质界面富电子 Mo、缺电子 Ni 活性对的成功构建；采用原位光谱表征技术，实时监测 UOR 反应过程中间体演变，追踪界面反应动态过程。
- 电化学性能测试：搭建三电极电化学体系，测试催化剂 UOR 极化曲线、阻抗、稳定性等电化学参数，评估催化活性。
- 理论计算：通过密度泛函理论（DFT）计算，模拟尿素分子、反应中间体在 Mo 位点与 Ni 位点的吸附能垒，解析电荷转移机制，从原子层面阐释富电子 Mo / 缺电子 Ni 协同催化机理，解释 NSOR 抑制的内在原理。
三、当前研究内容与研究进展
现阶段尿素氧化催化剂研究，主要聚焦于镍基材料改性，包括异质结构构筑、杂原子掺杂、缺陷工程等策略，核心目标是降低 UOR 过电位、抑制 NSOR 副反应、提升催化剂稳定性。传统镍基催化剂在 UOR 工作电位下，表层 Ni 极易自发氧化生成 NiOOH，也就是 NSOR 过程。该副反应不仅消耗电能，还会造成 CO₂吸附滞留，导致活性位点钝化。大量研究证明，构建金属 / 金属氮化物异质结可以调控界面电子分布，是解决该问题的有效路径。
本研究的创新进展，在于通过 MoN/Ni 异质界面实现定向电荷转移，分离出功能分工明确的双活性位点：富电子 Mo 负责捕获尿素反应物，缺电子 Ni 位点规避镍自氧化副反应，协同完成尿素催化氧化。相较于单一 Ni 基催化剂，该异质催化剂在大电流密度下表现出更低工作电压，100 mA・cm⁻² 电流密度仅需 1.39 V，在尿素辅助电解制氢场景具备明显优势。目前该方向研究大多停留在实验室小试阶段，重点集中在催化剂结构设计、反应机理解析；原位谱学与理论计算的结合，也进一步厘清 UOR 反应路径，为后续催化剂结构优化提供理论支撑。但该体系仍存在待突破问题：异质结构催化剂长时间电解工况下的界面稳定性、规模化制备工艺、电极工程放大等问题，仍需要持续深入研究。
四、研究中手套箱的核心应用环节解析
MoN 属于金属氮化物，金属氮化物、金属镍纳米材料及部分制备前驱体化学性质活泼，接触空气中的氧气、水汽极易发生氧化、水解，改变材料表面电子结构，破坏预先设计的 Mo-Ni 异质界面，直接干扰 XPS、XAS 等电子结构表征结果，造成实验数据失真，是该类研究必须规避的问题。在此类镍基金属氮化物异质催化剂研发中，手套箱是不可或缺的核心实验装备，主要应用场景分为以下几方面：
第一，催化剂样品制备与后处理。MoN/Ni 异质结构的高温氮化产物取出后，暴露空气会快速氧化，改变 Mo、Ni 位点电子状态。实验中可将氮化后的样品转移至惰性气氛手套箱（高纯 Ar 气氛，低水氧含量，H₂O、O₂含量通常维持＜0.1 ppm）内，完成研磨、分装、压片等样品前处理，隔绝空气，保留材料本征界面电子结构，保证富电子 Mo、缺电子 Ni 活性对不被空气氧化破坏。部分易氧化前驱体材料的称量、混合操作，也需要在手套箱内完成。
第二，敏感样品转移，保障谱学表征准确性。本研究核心表征手段 XPS、XAS 对样品表面状态极其敏感。一旦样品在空气中氧化，表面会生成氧化层，掩盖真实的界面电荷转移信息，无法验证富电子 Mo、缺电子 Ni 活性对的存在。借助手套箱配套的真空过渡仓，可将制备好的 MoN/Ni 样品在无空气暴露条件下，直接转移至 XPS、XAS 测试腔体，全程隔绝氧气水汽，获取材料原生表面的电子态信息，这也是该论文中电子活性对结论成立的实验保障。
第三，电化学测试电极制备与样品保存。部分粉末催化剂电极片制备，以及待测样品的长期存储，放置于手套箱惰性环境中，可以防止样品提前氧化，避免预氧化带来的 NSOR 本底干扰，保证电化学测试得到的 UOR 性能数据真实可靠。
综上，该 MoN/Ni 异质催化剂研究，从材料制备、样品转移、样品保存到高端谱学表征，都高度依赖低水氧惰性气氛手套箱。手套箱稳定可控的无水无氧环境，保护易氧化金属氮化物 / 金属异质结构，避免空气杂质破坏催化剂界面电子结构，保障材料电子结构表征、电化学性能测试数据真实可信，是金属氮化物电催化材料基础研究的关键基础设施。
尿素氧化耦合电解制氢技术，兼具绿氢制备与含尿素废水处理双重价值，契合双碳背景下氢能产业发展需求。镍基异质 UOR 催化剂是该领域研究热点，MoN/Ni 这类基于界面电子调控构建双活性对的设计思路，为下一代高性能 UOR 催化剂开发开辟新方向。
从学术层面，该研究证实异质界面电荷重构可有效抑制 NSOR 副反应，该策略可以拓展到其他金属氮化物、金属磷化物与过渡金属复合电催化体系，应用于 OER、析氢反应（HER）、CO₂还原等电催化领域。从产业化层面，尿素辅助电解制氢可以降低电解制氢能耗，利用农业、生活废尿素溶液作为原料，降低绿氢生产成本。但目前该类异质催化剂仍存在规模化制备难度大、长时间大电流工况稳定性不足等问题。未来研究一方面需要持续优化催化剂组成与结构，进一步降低过电位、提升耐久性；另一方面，电极放大、电解槽系统集成、低成本制备工艺开发，将推动 UOR 电解制氢技术走向实际工程应用。与之配套，无水无氧手套箱作为该类敏感电催化材料研发的核心装备，在实验室研发、中试样品开发阶段需求持续增长。金属氮化物、金属基电催化新材料研发，对手套箱水氧控制精度、样品转移配套接口、自动化操作能力都会提出更高要求，手套箱设备企业可以紧密跟随电催化前沿研究需求，为相关科研团队提供适配材料制备、原位表征联用的一体化惰性气氛解决方案。
参考：富电子Mo和缺电子Ni活性对在MoN/Ni异质结构中促进高效尿素氧化反应的显著作用（英文） - 中国知网
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=9FozRGRw00IQKmPLOEGL5HEImyG1LV3BYV50ZB-kazT_Y8ldsGnEz_WFfTAeHYzvIaJWkuekBrS8NUuFIX7VA0KWF6AUZkwsWSTtdYc_7styx4Rfa1iTapMrXOcwgT2b9k9gjHtItnc_LNJX-RVT-d1WDfGn_qDiY07vJiKq4Is4bNphS7YSXw==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
