尿液而非水用于高效生产绿色氢能

这些独特的系统揭示了经济化生产"绿色"氢能（一种可持续的可再生能源）的新途径，并具有修复水生环境中含氮废物的潜力。

通常情况下，氢气是通过电解法将水分解为氧气和氢气来产生的。这是一项有望帮助解决全球能源危机的技术，但该过程能耗高，与从化石燃料中提取氢气（灰色氢）相比成本高昂，而化石燃料制氢过程本身因产生碳排放也是不可取的。

与水相比，利用尿素电解产生氢气的系统能耗显著降低。

尽管存在这一优势，现有的尿素制氢系统仍面临若干限制，例如可提取的氢气量低，以及会产生有毒且与制氢过程竞争的不良含氮副产物（硝酸盐和亚硝酸盐），这进一步降低了系统整体效率。

来自澳大利亚研究理事会（ARC）碳科学与创新卓越中心（COE-CSI）和阿德莱德大学的研究人员开发了两种尿素电解系统，克服了上述问题，并能以他们计算出的成本生产绿色氢气，该成本与生产灰色氢气的成本相当甚至更低。

针对每个系统的研究分别发表在期刊上，一篇发表于《德国应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition），另一篇发表于《自然-通讯》。《德国应用化学国际版》论文的第一作者是博士研究生高昕彤（Xintong Gao），她来自该大学由COE-CSI首席研究员姚政（Yao Zheng）教授和COE-CSI副主任、首席研究员乔世璋（Shizhang Qiao）教授（均来自化学工程学院）领导的团队。

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

“虽然我们尚未解决所有问题，但如果这些系统实现规模化，我们的系统产生的是无害的氮气，而非有毒的硝酸盐和亚硝酸盐；并且任一系统的用电量将比水分解系统减少20-27%，”姚政教授说。

“我们需要以碳中性的方式降低制氢成本。我们第一篇论文中的系统，虽然采用了独特的无膜系统和新型铜基催化剂，但使用的是纯尿素，而纯尿素是通过哈伯-博施法合成氨生产的，该过程能耗高且释放大量二氧化碳（CO₂）。

“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，尿液是我们第二篇论文所研究系统的基础。”

尿液或尿素也可来源于富含含氮废物的污水和其他废水。然而，尿液在电催化系统中会带来另一个问题：尿液中的氯离子会引发反应产生氯气（Cl₂），导致系统阳极（发生氧化和电子损失的部位）发生不可逆的腐蚀。

“在第一个系统中，我们开发了一种创新且高效的无膜尿素电解系统用于低成本制氢。在第二个系统中，我们开发了一种新型氯介导的氧化机制，该机制使用铂基碳支撑催化剂从尿液中产生氢气，”乔世璋教授说。

铂是一种昂贵、珍稀且有限的金属，其作为催化材料的需求不断增长是不可持续的。ARC碳科学与创新卓越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技术。

阿德莱德大学团队将在此基础研究的基础上，开发碳支撑的非贵金属催化剂，用于构建无膜尿液-废水处理系统，在修复废水环境的同时实现更低成本的绿色氢气回收。