当今社会，人类的社会行为产生了越来越多的含有尿素的废水，含有尿素的废水不经处理就排放到自然界会导致水体富营养化，对环境造成破坏。与传统的解决方案相比，节能电解尿素技术所需的成本更低，解决问题效率最高是达到环保目的的有效途径。电解尿素的关键在于电极材料，常见的尿素电解电极材料有铂，铑，钌等，但它们较低的金属利用率和较差的稳定性限制了应用于尿素电氧化，更重要的是，较高的重金属含量会导致金属泄露从而造成环境的二次污染。
基于上述挑战，安徽大学材料科学与工程学院毕红教授课题组首次采用金属镍掺杂碳点（Ni-CDs）作为尿素电氧化的催化剂。稳定性好、导电性好的碳点（CDs）作为催化剂载体，其丰富的官能团有利于镍离子的络合，通过后修饰（图1）成功制备了极低镍金属掺杂的Ni-CDs，镍原子比仅占1.1%。此外，碳点固有的化学稳定性，以及碳点上羧基与镍原子之间强的结合亲和性，使得Ni-CDs在尿素电氧化过程中（图2）具有优异的催化活性（在1.38 V的电压下，达到100 mA cm-2）和稳定性（23小时耐久性测试保持在96%），当材料处理实际污水样本时，也有着优异的尿素电氧化性能。这项工作强调了开发碳基纳米复合材料作为尿素电解高效催化剂的有效性，从而促进低成本和节能的催化过程。
图1.Ni-CDs的合成示意图。b）Ni-CDs的XPS光谱。c）CDs和d）Ni-CDs的高分辨XPS O 1s谱图。e）Ni-CDs的高分辨XPS Ni 2p光谱。f）Ni-CDs的动态接触角图。
图2.a）Ni-CDs在不同电解质下的LSV曲线。b）CDs和Ni-CDs在1.0 M KOH+0.33 M Urea电解质中的LSV曲线。c），d)Ni-CDs的电化学活性面积图。e）Ni-CDs的耐久性测试图。f）Ni-CDs电解尿素示意图。
相关成果以《Nickel-doped carbon dots as an efficient and stable electrocatalyst for urea oxidation》为题发表在期刊Small上（Small.2022，DOI:10.1002/smll.202205234），论文第一作者为安徽大学硕士研究生朱志伟，通讯作者为安徽大学材料科学与工程学院毕红教授和陈平教授共同合作，该工作得到国家自然科学面上基金的资助，同时感谢法国图卢兹大学葛康康博士、安徽大学材料科学与工程学院李子健老师在材料结构表征和解析上的帮助和支持。