用人尿替代水高效生产绿氢

这些独特的系统揭示了经济高效生产'绿色'氢气（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，氢气是通过电解将水分解为氧气和氢气而产生的。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，导致其成本高于从化石燃料中提取氢气（灰氢），而后者因其产生的碳排放本身也是不可取的方法。

与水相比，利用尿素电解制氢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局限，例如可提取的氢气量低，以及会产生有毒的含氮副产物（硝酸盐和亚硝酸盐）。这些副产物不仅有毒，还会与氢气生产竞争，进一步降低系统整体效率。

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了两套基于尿素的电解系统，克服了这些问题，并能以经计算与灰氢生产成本相当或更低的成本生产绿色氢气。

每套系统的研究分别发表于独立论文中，一篇发表在期刊Angewandte Chemie International Edition, 另一篇发表于《自然通讯》。高欣彤博士是《德国应用化学》论文的第一作者，她来自该大学由COE-CSI首席研究员郑尧教授和COE-CSI副主任、首席研究员乔世璋教授领导的团队，两位教授均来自化学工程学院。

从纯净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，使用尿液作为纯净尿素的替代来源。

"虽然我们尚未解决所有问题，但如果这些系统实现规模化，我们的系统将产生无害的氮气而非有毒的硝酸盐和亚硝酸盐，且任一系统的耗电量都比水电解系统低20-27%，"郑教授表示。

"我们需要降低制氢成本，但要以碳中和的方式实现。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，但使用了纯净尿素。纯净尿素通过哈伯-博世法合成氨生产，该过程能耗高且释放大量CO₂。

"我们通过使用绿色尿素来源——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。"

尿液或尿素也可来源于污水及其他富含含氮废物的废水。然而，尿液在电催化系统中会引发另一个问题：尿液中的氯离子会触发反应生成氯气，导致系统阳极（发生氧化和电子损失的部位）发生不可逆腐蚀。

"在首个系统中，我们开发了一种创新的高效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氧化机制，利用碳载铂基催化剂从尿液中制取氢气，"乔教授解释道。

铂是一种昂贵、稀有且有限的金属，其作为催化材料的需求日益增长，具有不可持续性。开发变革性碳催化剂技术以服务传统能源和化学工业是澳大利亚研究理事会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这项基础研究，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。