新材料开辟了将水污染物转化为氢气的可能性

WPI 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设计的电子结构的镍和钴原子材料，该小组释放了使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 化学工程系 James H. Manning 教授 Xiaowei Teng 领导，发表在《物理化学快报》杂志上，并在该出版物的补充封面中重点介绍。

从水中去除尿素的挑战

尿素是一种低成本氮农业肥料，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会导致富营养化——有害藻华和缺氧死区，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(按重量计6.7%)。因此，尿素电解制氢比水电解更加节能和经济。

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，但滕和他的团队找到了解决方案：制造由协同相互作用的镍和钴原子组成的具有独特电子结构的电催化剂用于选择性尿素电氧化。

解锁增强的选择性和活性

WPI 团队的研究重点是均质镍和钴的氧化物和氢氧化物。研究人员发现，增强其电化学活性和尿素氧化选择性的关键在于调整以 Ni 2+和 Co 3+为主的独特电子结构。

“这种电子构型是提高尿素氧化选择性的关键因素，因为我们观察到较高的镍价，例如 Ni 3+，确实有助于产生快速反应并输出强电流;然而，很大一部分电流来自于不必要的水氧化，”滕说。

为了更好地理解这种效应，滕的团队与 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 Ni 2+到 Co 3+物质的重新分配，并将价电子转移到更高的能量，因此 Ni/Co 催化剂可以更好地参与键合与尿素和水分子。

应用及未来展望

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 年产量约为 1.8 亿吨。尿素可以从天然来源中提取;一个成年人每天产生1.5升尿液，相当于每年11公斤尿素和0.77公斤氢气。

该团队的研究结果可以帮助利用废物流中的尿素，通过电解过程有效地生产氢燃料，并可用于从水中隔离尿素，维持生态系统的长期可持续性，并彻底改变水与能源的关系。