WPI的研究人员已经开发出一种材料，可以从水中去除尿素，并有可能将其转化为氢气。通过精心定制的电子结构构建这些镍和钴原子材料，该小组已经释放了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的James H. Manning化学工程教授滕晓伟领导，最近发表在《物理化学快报》杂志上，并在该杂志的补充封面上做了重点介绍。

水中尿素脱除的挑战

尿素是一种低成本的氮肥，是人体代谢的天然产物。富含尿素的农业径流和城市污水排放导致富营养化——有害的藻类大量繁殖和缺氧死区，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、含氢量高(重量比6.7%)。因此，尿素电解制氢比水电解更节能、更经济。

尿素电解的弱点一直是缺乏低成本和高效的电催化剂来选择性氧化尿素而不是水，但Teng和他的团队已经找到了一个解决方案:制造由具有独特电子结构的镍和钴原子协同作用的电催化剂，用于选择性尿素电氧化。

解锁增强选择性和活性

WPI团队的研究集中在均相镍钴氧化物和氢氧化物上。研究人员发现，提高其电化学活性和尿素氧化选择性的关键在于利用优势的Ni2+和Co3+物质定制独特的电子结构。

“这种电子结构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，如Ni3+，确实有助于产生具有强电流输出的快速反应;然而，很大一部分电流来自不必要的水氧化。”

为了更好地理解这种效应，Teng的团队与WPI的化学工程教授Aaron Deskins合作。Deskins进行了计算模拟，发现镍钴氧化物和氢氧化物的均匀混合有利于电子从Ni2+重新分布到Co3+，并将价电子转移到更高的能量，从而使Ni/Co催化剂更好地准备参与与尿素和水分子的成键。

应用及展望

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年的产量约为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，相当于每年产生11公斤尿素和0.77公斤氢气。

该团队的发现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，保持生态系统的长期可持续性，并彻底改变水-能关系。