Angew：镍催化尿素电解中氮气过氧化的破译与抑制

Nanoyu

2021-09-24

尿素作为现代化学的里程碑分子，为工农业的繁荣发展做出了巨大贡献。然而，尿素的滥用和无节制排放已经成为对人类健康和生态系统稳定的潜在威胁。尿素电解因其分布式、冷启动电化学装置和与可再生能源高兼容性等优点而受到人们越来越多的关注。同时，从析氧反应（OER）的1.23 V（vs. RHE）到尿素氧化反应（UOR）的0.37 V（vs. RHE）的热力学平衡电位的转变有利于大量制氢氢气，理论节能约70%，促进了可持续的氢经济方向发展。镍（Ni）基材料是一类具有高性价比、储量丰富的高效UOR催化剂。

近日，华东理工大学杨雪晶，复旦大学龚鸣青年研究员，李晔飞教授报道了采用动力学和色谱技术相结合的方法，分析了Ni基电极在UOR过程中N₂的去向。

文章要点

1）研究发现，主要产物NO₂^-是一种潜在的二次污染物，这在以前的研究中被大大低估了。而无害的N₂产物的法拉第效率（FE）相对较低。此外，检测到其他微量过氧化产物，如NO₃^-和N₂O。

2）研究人员通过¹⁵N同位素标记和尿素类似物，详细分析了产物之间的相关性以及对不同反应参数的依赖关系，并得到了一个氮归宿网络，其包括一个通过OH^-辅助的C-N裂解形成NO₂^-的途径和两个分子内和分子间耦合的N₂形成途径。进一步的密度泛函理论（DFT）计算证实，C-N裂解具有更低的能垒

3）在机理研究的启发下，研究人员提出了一种聚合物涂层策略，以抑制过氧化产物，并将N₂选择性提高两倍。

这项工作不仅可以全面了解UOR过程中的详细分子跃迁过程，而且对未来可持续电化学体系的合理设计也有一定的启发作用。

参考文献

Jianan Li, et al, Deciphering and Suppressing the Over-oxidized Nitrogen in Nickel-catalyzed Urea Electrolysis, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202107886

https://doi.org/10.1002/anie.202107886