电催化尿素氧化反应（UOR）兼具绿色制氢与污染物降解的双重价值，为传统的析氧反应（OER）提供了具有能量优势的替代方案。然而，UOR在实际应用中面临两大核心难题：尿素裂解产生的强碳氮键导致反应动力学极其缓慢，且大电流密度下CO₂气泡覆盖会掩埋大量活性位点。

        近日，吉林大学邹陆一教授与湘潭大学孙秀娟教授团队合作，针对上述问题，构建了具有超强亲水性/超疏气性表面以及增强内置电场的Fe-NiTe/NiSe₂纳米片阵列（图1），实现了碱性UOR的高效稳定催化。该成果以“Tailoring Built‐In Electric Field and Superhydrophilic Superaerophobic Surface of Fe-Doped NiTe/NiSe₂ Heterojunction for Efficient Electrocatalytic Urea Oxidation”为题，发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。

Figure 1.Schematic illustration of the preparation for Fe-NiTe/NiSe₂.

        在催化剂结构设计方面，该团队通过水热合成工艺并结合硒化处理，在预处理过的泡沫镍（NF）基底上构筑了Fe掺杂的NiTe/NiSe₂二元合金纳米片阵列。Fe的微量掺杂（0.34 at%）与NiTe/NiSe2异质结界面工程产生协同效应：一方面，Fe掺杂调控了异质结界面的内置电场强度，促使电子从Fe-NiTe向Fe-NiSe₂定向转移，形成“富电子区域（Fe-NiSe₂）”与“缺电子区域（Fe-NiTe）”，分别选择性吸附尿素的吸电子基团（C=O）与供电子基团（─NH₂），实现了C─N键的高效活化与断裂（如图2）；另一方面，通过构建具有高粗糙度和纳米片阵列结构的电催化剂，赋予其“超亲水（增强电解质渗透）/超疏气（抑制气泡附着）”特性，能够有效释放被覆盖的活性位点，提高催化活性和物质传输动力学。

Figure 2. Work function values of (a) Fe-NiTe and (b) Fe-NiSe₂ calculated by DFT simulation. (c) charge density difference of Fe-NiTe/Fe-NiSe₂, where the blue and yellow colorsmean the depletion and accumulation of electron density, respectively. (d) The planar-average charge density difference along the Z-direction for Fe-NiTe/Fe-NiSe₂ heterojunction. (e) Schematic diagrams of the band structure of Fe-NiTe and Fe-NiSe₂ before and after contact. (f) Schematic diagram of the adsorption and decomposition of urea on the built-in electric field.

        在电催化性能方面，Fe-NiTe/NiSe₂催化剂展现出优异的碱性UOR性能：在1.0 M KOH + 0.33 M尿素电解液中，在1.447 VRHE时的电流密度可达到100 mA cm^-2，明显优于NiTe/NiSe₂（1.478 VRHE）、Fe-NiTe（1.667 VRHE）和Fe-NiSe₂（1.558 VRHE）；其塔菲尔斜率低至56.8 mV dec^-1，表明拥有更快的UOR反应动力学。同时，该催化剂具备出色的稳定性，在100 mA cm^-2大电流密度下可稳定运行超90 h，电流密度仅下降9.7%，补充新鲜电解液后电压可恢复至初始水平。

        基于该催化剂的优异UOR性能，团队进一步组装了无膜尿素电解池（图3a）（Fe-NiTe/NiSe₂(+) || Pt/C(-)），其在热力学和动力学方面明显优于水电解（图3b）。具体而言，水电解需要 1.815/2.271 VRHE 才能达到 100/200 mA cm^-2，而尿素电解仅需要 1.715/2.015 VRHE，这清楚地表明用UOR反应取代缓慢的OER反应可以显著提高氢气的生成效率。Fe-NiTe/NiSe₂ 在 100 mA cm⁻² 下的工作电位明显低于大多数最近报道的非贵金属电催化剂（图3c）。此外，还进行了 150 小时的长期耐久性测试（图3d），由于电解液中尿素的逐渐耗尽，其表现出了逐渐上升的趋势。总之，Fe-NiTe/NiSe₂ 表现出卓越的尿素氧化还原催化活性和稳定性，为高效利用尿素辅助制氢提供了一条有前景的途径。

Figure 3. (a) The concept of urea-assisted Water splitting electrolyzer. (b) LSV curves of urea electrolysis. (c) Comparison of cell voltage at 100 mA cm⁻². (d) CP curve of Fe-NiTe/NiSe₂(+) || Pt/C(-) at 100 mA cm⁻².

        此外，研究采用“实验表征+理论模拟”的双轨验证策略，通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等表征证实了异质结的成功构建与Fe的均匀掺杂，结合Mott-Schottky曲线、紫外-可见漫反射光谱与DFT计算，明确了界面电子转移规律与内置电场的调控机制；原位电化学阻抗谱（EIS）与接触角测试则验证了电荷转移效率的提升与表面亲水性/疏气性的优化，为催化剂性能的提升提供了全方位的机制支撑。

        总之，该研究基于“界面工程与表面工程相协同”的视角，系统探索并回应了两个关键科学问题：其一，如何通过杂原子掺杂调控异质结内置电场，实现尿素基团的选择性吸附与C─N键的高效活化；其二，如何通过形貌调控构建超亲水/超疏气表面，解决大电流下的气泡覆盖与传质限制问题。结合深入的实验表征与理论计算，该研究为设计高效稳定的UOR电催化剂提供了新的思路，也为低能耗电解水与环境污染物降解的结合提供了可行的技术方案。

论文信息

Tailoring Built-In Electric Field and Superhydrophilic–Superaerophobic Surface of Fe-Doped NiTe/NiSe₂ Heterojunction for Efficient Electrocatalytic Urea

Oxidation

Mingjie Lei, Yi Zhao, Xiujuan Sun*,  Yuan Pan, Yadong Liu,  Jiayu Kang, Diye Wei*, Luyi Zou*, Yong Pei*.

Advanced Functional Materials, 2026.

https://doi.org/10.1002/adfm.202527710