近日，我校化學(xué)化工學(xué)院劉健教授、王艷琴副教授團(tuán)隊(duì)在節(jié)能制綠氫聯(lián)產(chǎn)高附加值化學(xué)品領(lǐng)域取得重大突破，在Nature子刊發(fā)表題為“Lewis acid-triggered hydroxyl spillover enables selective urea electrooxidation to nitrite with concurrent energy-saving hydrogen production”的研究成果。(論文鏈接：)。我校研究生范超、張猛為論文的共同第一作者，我校劉健教授、王艷琴副教授和鄭州輕工業(yè)大學(xué)鞏飛龍副教授為論文共同通訊作者，內(nèi)蒙古大學(xué)為論文第一完成單位。

綠氫是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要能源形式，但其規(guī)模化生產(chǎn)面臨一個(gè)主要障礙：電解水制氫過(guò)程中的高能耗問(wèn)題，其中析氧反應(yīng)（OER）占據(jù)了近90%的電能消耗。長(zhǎng)期以來(lái)，科研人員致力于探索可替代OER的低耗能陽(yáng)極反應(yīng)，以期通過(guò)“開(kāi)源節(jié)流”的方式提升制氫效率。尿素氧化反應(yīng)（UOR）因理論電位較OER低約0.86V，被認(rèn)為是一個(gè)具有前景的替代方向。與此同時(shí)，亞硝酸鹽（NO2-）作為尿素選擇性氧化的產(chǎn)物之一，在食品、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛，但其傳統(tǒng)的奧斯特瓦爾德制備方法能耗大、污染嚴(yán)重，難以符合綠色、經(jīng)濟(jì)的合成需求。因此，利用尿素廢水作為陽(yáng)極原料合成NO2-，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠氫的節(jié)能制備與高附加值NO2-的聯(lián)合生產(chǎn)。然而，傳統(tǒng)的尿素氧化反應(yīng)（UOR）傾向于遵循熱力學(xué)更有利的氮氮偶聯(lián)路徑生成N2，這為目標(biāo)產(chǎn)物（NO2-）的選擇性調(diào)控帶來(lái)了顯著困難。該研究提出了一種創(chuàng)新的催化劑設(shè)計(jì)策略。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在Ni3S2中引入具有強(qiáng)路易斯酸性的鉻（Cr3+）位點(diǎn)，首次實(shí)現(xiàn)了“羥基動(dòng)態(tài)溢流”效應(yīng)，成功構(gòu)建出高效多功能電催化劑Cr-Ni3S2。該催化劑能將電解產(chǎn)生的OH-優(yōu)先輸送至鎳活性位點(diǎn)，促進(jìn)尿素分子發(fā)生碳氮（C-N）鍵選擇性斷裂，從而將反應(yīng)路徑導(dǎo)向高附加值亞硝酸鹽的生成與協(xié)同產(chǎn)氫，同時(shí)顯著抑制了氮?dú)飧狈磻?yīng)的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)了尿素向亞硝酸鹽的高效轉(zhuǎn)化。組裝的電解槽在500mA cm-2電流密度下的H2生產(chǎn)能耗為3.7kWh m-3，亞硝酸鹽產(chǎn)率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的120.98 mg h-1 cm-2，在能耗和陽(yáng)極產(chǎn)物附加值兩方面均遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析顯示，在400mA cm?2下處理每噸尿素的凈收益為1210.5美元，具有經(jīng)濟(jì)可行性。該研究實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)路徑的有效調(diào)控，為超低能耗制氫與廢水資源化耦合提供了新思路，有望推動(dòng)綠氫工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展。

催化劑Cr-Ni3S2和Ni3S2的UOR作用機(jī)理示意圖

本工作服務(wù)“雙碳”目標(biāo)，面向內(nèi)蒙古自治區(qū)建設(shè)國(guó)家重要能源和戰(zhàn)略資源基地、發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略任務(wù)的重大需求，提出“路易斯酸介導(dǎo)羥基溢流”的氧化反應(yīng)新機(jī)制，開(kāi)發(fā)尿素節(jié)能制氫聯(lián)產(chǎn)高附加值亞硝酸鹽的新技術(shù)，并將該策略成功拓展至鋅-尿素電池體系，展現(xiàn)出從基礎(chǔ)機(jī)制創(chuàng)新到工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的潛力。

該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

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編輯 ：賈慧婷

校對(duì) ：趙亞靜

責(zé)編 ：張書(shū)寧

初審 ：武濤 伊如樂(lè)

復(fù)審 ：李文娟

終審 ：阿茹娜