在铁镍层状氢氧化物上负载钌单原子用于高效尿素电氧化

doi:10.7503/cjcu20260178

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (11): 20260178.doi: 10.7503/cjcu20260178

在铁镍层状氢氧化物上负载钌单原子用于高效尿素电氧化

杨婷¹, 张轶媛², 吴籼虹²()

^1.运城学院化学与材料系，运城 044000
^2.大连工业大学轻工与化学工程学院，大连 116034

收稿日期:2026-05-02 出版日期:2026-11-10 发布日期:2026-07-12
通讯作者: 吴籼虹 E-mail:wuxianhong@dlpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22209174);辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目(XLYC2403097);辽宁省博士科研启动项目(2024BS197);大连市青年科技之星项目(2024RQ036);山西省基础研究计划项目(202403021212304);优秀博士来晋科研专项(QZX-2023015);2025年运城市科技计划项目(YCKJYD-202537)

Ruthenium Single-atom Supported on Iron-nickel Layered Double Hydroxide for Efficient Urea Electrooxidation

YANG Ting¹, ZHANG Yiyuan², WU Xianhong²()

^1.Department of Chemistry and Materials，Yuncheng University，Yuncheng 044000，China
^2.School of Light Industry and Chemical Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China

Received:2026-05-02 Online:2026-11-10 Published:2026-07-12
Contact: WU Xianhong E-mail:wuxianhong@dlpu.edu.cn
Supported by:
the the National Natural Science Foundation of China(22209174);the Liaoning Revitalization Talents Program-Young Top?notch Talents Project, China(XLYC2403097);the Liaoning Provincial Doctoral Research Startup Project, China(2024BS197);the Youth Science and Technology Star Project of Dalian City, China(2024RQ036);the Fundamental Research Program of Shanxi Province, China(202403021212304);the Scientific Research Program for PhDs Coming to Shanxi Province, China(QZX-2023015);the Technology Plan Project of Yuncheng City for 2025, China(YCKJYD-202537)

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摘要/Abstract

摘要：

采用一步电沉积法，在泡沫镍上原位生长了负载钌单原子的铁镍双金属层状氢氧化物(Ru-FeNi-LDH/NF)，并研究了其用于尿素电氧化反应(UOR)的催化性能. 研究结果表明， Ru-FeNi-LDH/NF是由密集纳米片堆叠形成的网络结构，且为短程有序的低结晶度结构. 球差校正透射电子显微镜(AC-TEM)进一步证实了Ru以单原子形式均匀分布于FeNi-LDH. Ru单原子负载改变了Fe和Ni位点的价态结构，降低了电荷转移电阻，提升了活性位点的暴露率，使Ru-FeNi-LDH/NF催化剂表现出良好的UOR催化活性和稳定性，仅需1.318和1.334 V(vs. RHE)的电位即可达到10和100 mA/cm²的电流密度. 此外，在尿素电氧化反应与电解水析氢反应组装的流动电解池体系中， Ru-FeNi-LDH/NF只需要1.347 V的电压即可达到10 mA/cm²的电流密度，并在 50 mA/cm²的电流密度下稳定运行超过50 h. UOR反应完成后， Ru-FeNi-LDH/NF表现出良好的结构稳定性.

关键词: 单原子, 层状金属氢氧化物, 尿素氧化反应, 电解水, 流动电解池

Abstract:

Using a one-step electrodeposition method， the iron-nickel bimetallic layered hydroxide loaded with ruthenium single atoms was successfully in-situ grown on nickel foam（denoted as Ru-FeNi-LDH/NF）， which was used for urea oxidation reaction（UOR）. The obtained Ru-FeNi-LDH/NF exhibits a network structure assembled from stacked nanosheets with amorphous characteristics. Aberration-corrected transmission electron microscopy（AC-TEM） further confirms that Ru single atoms are uniformly dispersed on the FeNi-LDH. The loading of Ru single atoms effectively modulates the valence structure of Fe and Ni sites， reduces the charge transfer resistance and increases the exposure of active sites. Consequently， the Ru-FeNi-LDH/NF catalyst exhibits excellent UOR catalytic activity and structural stability， requiring only 1.318 and 1.334 V（vs. RHE） to achieve current densities of 10 and 100 mA/cm²， respectively. Furthermore， in a flow electrolyzer system coupling the urea oxidation reaction with the hydrogen evolution reaction， Ru-FeNi-LDH/NF requires only 1.347 V to achieve a current density of 10 mA/cm² and operates stably for over 50 h at a current density of 50 mA/cm². Besides， the Ru-FeNi-LDH/NF catalyst maintains good structural stability after the UOR.

Key words: Single atom, Layered metal hydroxide, Urea oxidation reaction, Water electrolysis, Flow electrolyzer

中图分类号:

O646.5

TrendMD:

杨婷, 张轶媛, 吴籼虹. 在铁镍层状氢氧化物上负载钌单原子用于高效尿素电氧化. 高等学校化学学报, 2026, 47(11): 20260178.

YANG Ting, ZHANG Yiyuan, WU Xianhong. Ruthenium Single-atom Supported on Iron-nickel Layered Double Hydroxide for Efficient Urea Electrooxidation. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(11): 20260178.

图/表 9

Fig.1 SEM images of FeNi⁃LDH/NF(A) and Ru⁃FeNi⁃LDH/NF(B)

Fig.2 TEM images(A—C) and SAED image(D) of Ru⁃FeNi⁃LDH

Fig.3 AC⁃TEM image(A), STEM image(B) and corresponding element mapping images of Fe(C), Ni(D), Ru(E) and O(F) of Ru⁃FeNi⁃LDH

Fig.4 XPS spectra of Fe2p (A, D), Ni2p (B, E) and O1s (C, F) of FeNi⁃LDH/NF(A—C) and Ru⁃FeNi⁃LDH/NF(D—F)

Fig.5 LSV curves of FeNi⁃LDH/NF and Ru⁃FeNi⁃LDH/NF in 1.0 mol/L KOH with 0.33 mol/L urea(A), Tafel plots(B) and EIS patterns(C) of FeNi⁃LDH/NF and Ru⁃FeNi⁃LDH/NF, CV curves of Ru⁃ FeNi⁃LDH/NF(D) and FeNi⁃LDH/NF(E) at different scan rates, the plots of current density differences(ΔJ) against scan rates at 0.32 V(vs. RHE)(where ΔJ is the difference between anodic and cathodic current densities in CV curves at different scan rates in a non⁃Faradaic region)(F), DEMS results of Ru⁃FeNi⁃LDH/NF in 1.0 mol/L KOH with 0.33 mol/L urea(G), UOR stability of Ru⁃FeNi⁃LDH/NF(H), LSV curves of Ru⁃FeNi⁃LDH/NF with and without urea(I)

Fig.6 LSV curves of FeNi⁃LDH/NF and Ru⁃FeNi⁃LDH/NF in 1.0 mol/L KOH for HER(A), Tafel plots of FeNi⁃LDH/NF and Ru⁃FeNi⁃LDH/NF(B)

Fig.7 LSV curves of Ru⁃FeNi⁃LDH/NF in HER||UOR and HER||OER(A), stability of Ru⁃FeNi⁃LDH/NF at 50 mA/cm2(B)

Fig.8 TEM images(A—C), SAED image(D), STEM image(E) and corresponding element mapping images of Fe(F), Ni(G), Ru(H) and O(I) of Ru⁃FeNi⁃LDH after UOR

Fig.9 High⁃resolution XPS spectra of Ru3p (A), Fe2p (B), Ni2p (C) and O1s (D) for the Ru⁃FeNi⁃LDH/NF after UOR

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在铁镍层状氢氧化物上负载钌单原子用于高效尿素电氧化

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