尿液替代水用于高效生产绿色氢

这些独特系统揭示了经济生产'绿色'氢气（一种可持续的可再生能源）的新途径，以及修复水生环境中含氮废物的潜力。

通常，氢气通过电解水分解为氧气和氢气产生。这是一项有前景的技术，有助于应对全球能源危机，但该过程能耗高，导致其成本远高于从化石燃料中提取氢气（灰色氢气）。化石燃料制氢本身因碳排放问题也是不可取的方法。

与水相比，利用尿素进行电解制氢的系统能耗显著降低。

尽管存在这一优势，现有尿素基系统仍面临若干局限，例如可提取的氢气量低，以及会产生有毒且与制氢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。

澳大利亚研究理事会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出两种尿素基电解系统，克服了上述问题。研究人员计算出，这些系统能以与生产灰色氢气相当甚至更低的成本制备绿色氢气。

针对每个系统的研究分别发表于不同期刊：一篇发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition），另一篇发表在《自然-通讯》（Nature Communications）。高昕彤博士是《德国应用化学》论文的第一作者，其所属团队由COE-CSI首席研究员郑尧教授及中心副主任、首席研究员乔世璋教授领导，两位教授均来自化学工程学院。

利用纯净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工艺——使用尿液作为纯净尿素的替代来源。

"尽管尚未解决所有问题，但如果这些系统扩大规模，我们的系统将产生无害的氮气而非有毒的硝酸盐和亚硝酸盐。无论哪种系统，其耗电量都将比水分解系统低20-27%，"郑教授表示。

"我们需要以碳中和的方式降低制氢成本。我们首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，但使用的是纯净尿素。纯净尿素通过哈伯-博施工艺合成氨生产，该工艺能耗高且释放大量CO₂。

"我们通过采用绿色尿素来源——人类尿液——解决了这个问题，这也是我们第二篇论文所研究系统的基础。"

尿液或尿素亦可取自污水和其他高含氮废水。然而，尿液在电催化系统中会引发新问题：尿液中的氯离子会诱发反应生成氯气，导致系统阳极（氧化反应及电子流失发生的部位）发生不可逆腐蚀。

"第一个系统中，我们开发了创新的高效无膜尿素电解系统用于低成本制氢。而在第二个系统中，我们建立了新型氯介导氧化机制，利用碳载铂基催化剂从尿液中制氢，"乔教授解释道。

铂是一种昂贵、珍贵且储量有限的金属，其作为催化材料日益增长的需求不可持续。开发变革性碳催化剂技术以服务传统能源和化工行业，是ARC碳科学与创新卓越中心的核心使命。

阿德莱德大学团队将基于此项基础研究，开发碳载非贵金属催化剂，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。