尿液替代水实现高效绿氢生产

这些独特的系统揭示了经济地生成“绿色”氢（一种可持续且可再生的能源）的新途径，以及修复水生环境中含氮废物的潜力。

通常，氢是通过使用电解法将水分解为氧气和氢气来产生的。这是一项有前景的技术，有助于解决全球能源危机，但该过程能耗高，与从化石燃料中提取氢（灰氢）相比，其成本高昂；而从化石燃料提取氢本身因产生碳排放也是一个不受欢迎的过程。

与水相比，利用尿素生成氢的电解系统能耗显著降低。

尽管有此优势，现有的尿素基系统仍面临若干限制，例如能够提取的氢量较少，以及产生不受欢迎的有毒含氮副产物（硝酸盐和亚硝酸盐），这些副产物与制氢过程竞争，进一步降低了整体系统效率。

澳大利亚研究理事会卓越碳科学与创新中心（COE-CSI）和阿德莱德大学的研究人员开发了两种尿素基电解系统，克服了这些问题，并且他们计算出，其生产绿色氢的成本可与甚至低于生产灰氢的成本。

每个系统的研究分别发表在独立的论文中，一篇发表于期刊Angewandte Chemie International Edition, 另一篇发表于《Nature Communications》。高欣彤（音译）博士是《Angewandte Chemie International Edition》论文的第一作者，她来自该大学由COE-CSI首席研究员郑瑶（音译）教授和COE-CSI副主任、首席研究员乔世璋（音译）教授（化学工程学院）领导的团队。

从纯尿素制氢并非新技术，但该团队发现了一种更易获取且更具成本效益的方法，即使用尿液作为纯尿素的替代来源。

“尽管我们尚未解决所有问题，但如果这些系统被扩大规模，我们的系统会产生无害的氮气，而非有毒的硝酸盐和亚硝酸盐，并且任一系统的耗电量都比水分解系统低20-27％，”郑教授说。

“我们需要降低制氢成本，但要以碳中和的方式进行。我们第一篇论文中的系统，虽然使用了独特的无膜系统和新型铜基催化剂，但使用了纯尿素。纯尿素是通过哈伯-博施工艺合成氨生产的，该工艺能耗高且释放大量CO_2。

“我们通过使用一种绿色的尿素来源——人类尿液——解决了这个问题，这是我们第二篇论文所研究系统的基础。”

尿液或尿素也可从富含含氮废物的污水和其他废水中获取。然而，尿液在电催化系统中存在另一个问题。尿液中的氯离子会引发反应生成氯气，导致系统阳极（发生氧化和电子损失的地方）发生不可逆的腐蚀。

“在第一个系统中，我们开发了一种创新的、高效的无膜尿素电解系统用于低成本制氢。在这第二个系统中，我们开发了一种新颖的氯介导氧化机制，利用碳载体上的铂基催化剂从尿液中制氢，”乔教授说。

铂是一种昂贵、珍贵且有限的金属，其作为催化材料日益增长的需求是不可持续的。澳大利亚研究理事会卓越碳科学与创新中心的核心使命是为传统能源和化学工业实现变革性的碳催化剂技术。

阿德莱德大学团队将在此基础研究之上，开发碳负载的非贵金属催化剂，用于构建无膜尿液-废水系统，在修复废水环境的同时，实现更低成本的绿色氢回收。