通过分解尿素(一种常见的有机分子)产生清洁电力的燃料电池可能成为减少对化石燃料依赖的重要资源。然而，用于这些电池的最先进的催化剂需要贵金属，这使得它们的大规模生产成本高得令人望而却步。为了解决这个问题，科学家们探索了一系列由廉价的镍基化合物制成的新型纳米结构催化剂，为可获得的尿素基燃料电池的商业化铺平了道路。
满足社会不断增长的能源需求，同时努力实现可持续发展目标已成为一项全球性挑战，科学家们正在探索各种技术来生产可替代化石燃料的清洁、可再生能源。除了风能和太阳能，使用燃料电池的电化学方法也很有吸引力，因为它们代表了一种紧凑、安静且环保的发电替代方案。
直接尿素燃料电池 (DUFC) 是一种特殊类型的燃料电池，它通过分解尿素来发电，尿素是一种广泛应用于肥料中的富氮分子，也主要存在于废水中。然而，燃料电池需要催化剂才能发挥作用。这些是精心挑选的材料，可促进必要的化学反应。不幸的是，就 DUFC 而言，已知性能最好的催化剂是使用贵金属(如铂)制成的。
为了解决这一限制并找到更容易获得的替代方案，由韩国海事大学的 Kyu-Jung Chae 教授领导的国际研究小组研究了一个有前途的催化剂家族：镍硫属元素化物。研究人员使用三维镍 (Ni) 泡沫作为轻质“基材”，然后将镍的最外层与不同的硫属元素(氧、硫、硒和碲)结合，在复合物之后产生镍硫属化物纳米片镍泡沫的轮廓。他们还以类似的方式制备了磷化镍 (Ni-P) 和镍层状双氢氧化物 (Ni-LDH)。
在合成和表征了各种催化剂后，该团队通过实验确定了哪一种提供了最好的电化学性能，结果证明是含有 Ni-Se 的那种。然后，他们在真正的 DUFC 中对其进行了全面测试，并确定了究竟是什么使 Ni-Se 与其他物质相比具有优势，正如 Chae 教授解释的那样：“我们发现硒与 Ni 具有很强的协同作用，并且硒的独特纳米级形态我们制备的催化剂提供了高表面积来氧化尿素和足够的孔隙来增强传质。”
这项研究的结果于 2021 年 7 月 16 日在线提供，并于 2021 年 10 月发表在《可再生和可持续能源评论》杂志第 150 卷中，结果不仅表明具有不同成分的催化剂可以直接在镍等轻质载体上生长泡沫，而且镍基材料可以定制以匹配甚至超过最先进的含有贵金属的催化剂。“我们设法使用廉价材料在尿素基燃料电池中实现了高功率密度，”Chae 教授强调说，“因此，我们的研究扩展了尿素燃料电池的能力并鼓励了它们的商业化。”
值得注意的是，DUFC 可以同时用于多种用途。它们可以发电，同时还有助于处理富含尿素的废水，并在此过程中提供清洁水。这些品质使 DUFC 在无法接入稳定电网的偏远地区成为一种多功能选择，例如在农村地区、船舶甚至太空任务中。
让我们希望蔡教授及其同事的努力为尿素基燃料电池的广泛应用铺平道路，并迈向更美好的明天。
