有效地将尿素从污染的水中移除正在成为现实

WPI的研究人员开发了一种材料，可以从水中去除尿素，并有可能将其转化为氢气。通过构建这些具有精心定制的电子结构的镍和钴原子材料，该小组释放了这些过渡金属氧化物和氢氧化物在电化学反应中选择性氧化尿素的潜力。

这项研究由WPI的詹姆斯·h·曼宁化学工程教授肖伟·滕领导，最近发表在物理化学快报杂志并在该出版物的补充封面中予以强调。

从水中去除尿素的挑战

尿素是一种低成本的氮肥，是人体新陈代谢的天然产物。

富含尿素的农业径流和城市废水排放导致富营养化，即有害藻类大量繁殖和缺氧死亡区，对水生环境和人类健康产生不利影响。

同时，尿素的独特特性使其成为一种潜在的储氢介质，可以提供可行的按需制氢。

例如，尿素无毒，水溶性高，氢含量高(6.7%重量)。因此，尿素电解制氢比水电解更节能、更经济。

尿素电解的弱点一直是缺乏低成本、高效的电催化剂来选择性氧化尿素而不是水，但Teng和他的团队找到了一种解决方案:制造由协同作用的镍和钴原子组成的电催化剂，这些原子具有独特的电子结构，用于选择性尿素电氧化。

释放增强的选择性和活性

WPI团队的研究集中在同质镍和钴的氧化物和氢氧化物上。

研究人员发现，提高其电化学活性和对尿素氧化的选择性的关键在于定制具有主导Ni2+和Co3+物种的独特电子结构。

“这种电子构型是提高尿素氧化选择性的关键因素，因为我们观察到更高的镍化合价(如Ni3+)确实有助于产生快速反应和强电流输出;然而，很大一部分电流来自不必要的水氧化，”滕说。

为了更好地理解这种效应，Teng的团队与WPI化学工程教授Aaron Deskins合作。

Deskins进行了计算模拟，发现镍和钴的氧化物和氢氧化物的均匀混合有利于电子从Ni2+到Co3+的重新分布，并将价电子转移到更高的能量，因此Ni/Co催化剂更好地准备参与与尿素和水分子的结合。

应用和未来前景

尿素是一种主要的氮肥和饲料添加剂，早在20世纪20年代就开始商业化生产;2021年生产了约1.8亿公吨。

尿素可以来自天然来源;一个成年人每天产生1.5升尿液，相当于每年产生11千克尿素和0.77千克氢气。

该团队的发现有助于利用废物流中的尿素通过电解过程高效生产氢燃料，并可用于从水中分离尿素，保持生态系统的长期可持续性，并彻底改变水-能源关系。

这项工作得到了美国国家科学基金会的资助，项目编号为2236704。

来源: Materials provided by Worcester Polytechnic Institute.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Tongxin Zhou, Sathya Narayanan Jagadeesan, Lihua Zhang, N. Aaron Deskins, Xiaowei Teng. Enhanced Urea Oxidation Electrocatalytic Activity by Synergistic Cobalt and Nickel Mixed Oxides. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2023; 15 (1): 81 DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03257