近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所環(huán)境與能源納米材料中心的研究人員，以尿素氧化降解反應(yīng)（Urea Oxidation Reaction, UOR）取代高過電位的氧氣析出反應(yīng)（Oxygen Evolution Reaction, OER）為思路，設(shè)計并研制出了新型節(jié)能的可充電鋅-空氣電池；同時，基于該思路發(fā)展了增強(qiáng)電催化電解水產(chǎn)氫技術(shù)。這為新型節(jié)能金屬-空氣電池器件的設(shè)計和清潔氫能源的開發(fā)利用提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在Electrochimica Acta和Chemical Communications上。

設(shè)計與研制新型、高效、環(huán)保的能源器件和技術(shù)，如金屬鋅-空電池、燃料電池、電催化分解水產(chǎn)氫等，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)可持續(xù)清潔能源技術(shù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容之一。為了實(shí)現(xiàn)這些新型能源器件與技術(shù)的實(shí)用化和商業(yè)化，研究人員致力于發(fā)展各種高效電催化劑材料，進(jìn)而增加電池器件（如燃料電池、鋅-空電池）的性能或降低電催化分解水產(chǎn)氫的電壓，從而有效提高電化學(xué)能量儲存與轉(zhuǎn)換效率。非貴金屬電催化劑（過渡金屬基催化劑、碳基催化劑等）的設(shè)計和開發(fā)利用取得顯著成果，但其過高的電催化氧氣析出反應(yīng)(OER)過電位及其緩慢的動力學(xué)反應(yīng)過程，嚴(yán)重制約可充電空氣電池技術(shù)和電解水制氫能源技術(shù)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，相對于不斷追求設(shè)計高效OER電催化劑的思路，利用另一種更高效且環(huán)保的氧化反應(yīng)（例如尿素氧化反應(yīng)UOR）來取代低效率的氧析出反應(yīng)是新的發(fā)展思路。

鑒于此，研究人員設(shè)計并制備出了多功能Mn-Ni(OH)2/CFC催化劑材料，將其組裝成可充電的金屬-鋅空氣電池。通過對比發(fā)現(xiàn)，利用UOR取代OER實(shí)現(xiàn)的鋅-空電池器件，在充電過程中可有效降低鋅-空電池的充電電壓(約0.3V)，因此節(jié)約能耗12-21%。將研制的高效Ni2P/CFC催化劑應(yīng)用到電催化分解水產(chǎn)氫研究，發(fā)現(xiàn)利用UOR取代OER后，降低了兩電極電解水的電壓（約0.2V）；利用人體尿液作為電解質(zhì)可實(shí)現(xiàn)電解水高效產(chǎn)氫，電解水產(chǎn)氫的起始電位遠(yuǎn)低于目前報道的高效OER基電解水制氫的電壓，僅需1.33V。以上研究結(jié)果為設(shè)計和發(fā)展高效電化學(xué)相關(guān)能源器件與技術(shù)提供了新思路，展示出實(shí)際應(yīng)用價值。

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院百人計劃及中科院國際創(chuàng)新團(tuán)隊等的資助。