研究背景

尿素作为一种重要的含氮生物分子，在农业、工业和医学领域有广泛应用，但其过度使用及废水排放对环境造成潜在威胁。传统的尿素处理方法如吸附、生物降解、反渗透和化学氧化等方法操作复杂且能耗高。尿素作为氢载体，具有高重量氢含量（6.71wt.%），是化石燃料的可靠替代品。因此，开发新的尿素废水处理策略并同时生产氢气，对于实现废物资源化利用和碳中和目标具有重要意义。

工作内容

研究团队设计了原子级分散的不对称Ni-O-Ti位点，通过将单个Ni原子锚定在商用的Ti泡沫上，避免了形成连接的对称Ni-O-Ni位点。利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）等技术，证实了不对称Ni-O-Ti位点的成功制备及其结构特征。通过线性扫描伏安法（LSV）和塔菲尔斜率分析，评估了不对称Ni-O-Ti位点在尿素电氧化反应中的活性和动力学。实验结果表明，该催化剂在实验室和工业级电流密度下均表现出低电位和快速电子转移速率。利用离子色谱和在线质谱技术，分析了尿素电氧化反应产物的选择性。结果显示，不对称Ni-O-Ti位点实现了99%的氮气选择性，远超对称Ni-O-Ni位点和其他Ni基催化剂。通过原位拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR），揭示了不对称Ni-O-Ti位点选择性氧化尿素至氮气的反应机理，强调了氧亲和性Ti原子在稳定C⎓N键和促进N-N键耦合中的作用。构建了一个由不对称Ni-O-Ti位点阳极和Pt阴极组成的原型UOR-HER设备，通过商业硅光伏电池驱动，实现了太阳能驱动的现场尿液处理和分散式氢气生产。

工作创新点

1、高选择性氮气生成：成功设计了原子级分散的不对称Ni-O-Ti位点，实现了尿素电氧化反应中99%的氮气选择性，远超现有Ni基催化剂。

2、反应机理新见解：通过理论计算和原位光谱技术，揭示了氧亲和性Ti原子在促进尿素分子内N-N键耦合中的关键作用，避免了C⎓N键的过早断裂。

3、太阳能驱动原型设备：开发了太阳能驱动的UOR-HER原型设备，展示了其在现场尿液处理和清洁能源生产中的实际应用潜力。

原文信息

Zhan, G., Hu, L., Li, H. et al. Highly selective urea electrooxidation coupled with efficient hydrogen evolution. Nat Commun 15, 5918 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50343-8

转自电催化科研社：https://mp.weixin.qq.com/s/JjNhsJX8DZEruBSVRJx7UA