近期👨🏽🎓，國際知名化學類期刊Angew. Chem. Int. Ed.以“Deciphering and Suppressing the Over-oxidized Nitrogen in Nickel-catalyzed Urea Electrolysis（DOI: 10.1002/anie.202107886）”為題⁉️，在線報道了我院李佳男博士後在環境能源電催化領域的最新研究成果，並將以封面文章的方式被重點報道♞。
鑒於熱力學上優勢電位(0.37 V, vs. RHE)，堿性條件下尿素氧化往往被視為水氧化(OER, 1.23 V)最理想陽極替代反應之一，理論上可節約電解水製氫70%的能量𓀒🕌。更為重要的✊🏻，尿液在市政水系統中體積僅占1%，卻產生了70%以上的氨氮負荷♡，是基於源分離的新型城市基礎設施建設🙇🏽♀️、“水-能源-食物”耦合、汙水資源化等環境熱點領域關註的重點問題🔇。
然而，前期大量研究僅關註尿素電化學產氫的陰極過程😷，而忽略了活性鎳基催化劑親氧終端結構、尿素多配位吸附中心、多步電子質子耦合轉化等眾多因素在陽極上的復雜作用😔。事實上🦴，尿素分子在陽極發生復雜的轉化過程，產生硝態氮、亞硝氮等過度氧化產物，遠遠偏離了綠色反應的初衷；此外🔚，目前對於堿性尿素氧化機理認識不足，嚴重阻延了此類應用的發展。
為此🧏🏼♀️，研究團隊追蹤堿性尿素電氧化氮素產物歸趨，核算氮物種轉化平衡關系🏉，發現尿素在活性鎳基電催化劑體系中主要以過度氧化反應為主，產物主要為具有環境危害的NO2-（約80%），而無害化的N2路徑比例較低（<20%）🧑🏻💼。借助同位素標記實驗和氣相質譜聯用🏊🏽♂️，發現尿素氧化氮氣生成路徑主要分子內N-N鍵偶聯為主💭，伴隨少量分子間N-N鍵偶聯行為👨🏽🔬，且首次發現了N2O產物的生成，極大豐富了堿性尿素電催化氧化氮素產物歸趨。根據實驗觀測結果，團隊提出了堿性尿素電氧化中氮物種的潛在轉化路徑網絡關系♙，並以密度泛函理論計算方法為支撐，發現堿性輔助下的C-N斷裂過度氧化路徑具有更低的反應能壘，相比常規N-N偶聯路徑具有優勢性。基於以上機理模型🚽，團隊提出了聚苯胺修飾的電催化劑表面改性策略，將尿素電氧化至無害化氮氣產物法拉第效率提升2倍以上，並一定程度上抑製了過度氧化的發生🕠。該工作不僅重塑了以往對堿性尿素氧化反應的機理認識😩，也為環境中氮物種的電化學轉化行為解析提供借鑒意義，促進未來發展更為健康可持續的“水-能源-食物”耦合關系。
該論文以EON4注册工業廢水無害化與資源化國家工程研究中心為第一作者單位，EON4娱乐博士後李佳男為第一作者🧏♀️，機械與動力工程EON4特聘研究員楊雪晶為論文通訊作者🔃🧝🏿。論文分別得到了EON4娱乐汪華林教授、陳秀榮教授，復旦大學李曄飛教授🕡、龔鳴研究員👩❤️💋👩、劉智攀研究員的指導幫助🫸🏻，以及分析測試中心施超歐高級工程師在離子色譜測試分析方面的技術支持🖖🏻。
該工作得到了國家重點研發計劃🥫🧑🏼💼、國家自然科學基金、中國博士後基金等項目的支持。
相關鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202107886