有效地將尿素從受污染的水中移出

WPI的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種材料，可以從水中去除尿素，并有可能將其轉(zhuǎn)化為氫氣。通過精心定制的電子結(jié)構(gòu)構(gòu)建這些鎳和鈷原子材料，該小組已經(jīng)釋放了這些過渡金屬氧化物和氫氧化物在電化學(xué)反應(yīng)中選擇性氧化尿素的潛力。

這項(xiàng)研究由WPI的James H. Manning化學(xué)工程教授滕曉偉領(lǐng)導(dǎo)，最近發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》雜志上，并在該雜志的補(bǔ)充封面上做了重點(diǎn)介紹。

水中尿素脫除的挑戰(zhàn)

尿素是一種低成本的氮肥，是人體代謝的天然產(chǎn)物。富含尿素的農(nóng)業(yè)徑流和城市污水排放導(dǎo)致富營養(yǎng)化——有害的藻類大量繁殖和缺氧死區(qū)，對水生環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不利影響。

同時(shí)，尿素的獨(dú)特特性使其成為一種潛在的儲氫介質(zhì)，可以提供可行的按需制氫。例如，尿素?zé)o毒、水溶性高、含氫量高(重量比6.7%)。因此，尿素電解制氫比水電解更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)。

尿素電解的弱點(diǎn)一直是缺乏低成本和高效的電催化劑來選擇性氧化尿素而不是水，但Teng和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一個(gè)解決方案:制造由具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)的鎳和鈷原子協(xié)同作用的電催化劑，用于選擇性尿素電氧化。

解鎖增強(qiáng)選擇性和活性

WPI團(tuán)隊(duì)的研究集中在均相鎳鈷氧化物和氫氧化物上。研究人員發(fā)現(xiàn)，提高其電化學(xué)活性和尿素氧化選擇性的關(guān)鍵在于利用優(yōu)勢的Ni2+和Co3+物質(zhì)定制獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。

“這種電子結(jié)構(gòu)是提高尿素氧化選擇性的關(guān)鍵因素，因?yàn)槲覀冇^察到較高的鎳價(jià)，如Ni3+，確實(shí)有助于產(chǎn)生具有強(qiáng)電流輸出的快速反應(yīng);然而，很大一部分電流來自不必要的水氧化?！?/p>

為了更好地理解這種效應(yīng)，Teng的團(tuán)隊(duì)與WPI的化學(xué)工程教授Aaron Deskins合作。Deskins進(jìn)行了計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)鎳鈷氧化物和氫氧化物的均勻混合有利于電子從Ni2+重新分布到Co3+，并將價(jià)電子轉(zhuǎn)移到更高的能量，從而使Ni/Co催化劑更好地準(zhǔn)備參與與尿素和水分子的成鍵。

應(yīng)用及展望

尿素是一種主要的氮肥和飼料添加劑，早在20世紀(jì)20年代就開始商業(yè)化生產(chǎn);2021年的產(chǎn)量約為1.8億噸。尿素可以從天然來源中提取;一個(gè)成年人每天產(chǎn)生1.5升尿液，相當(dāng)于每年產(chǎn)生11公斤尿素和0.77公斤氫氣。

該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)可以幫助利用廢物流中的尿素通過電解過程有效地生產(chǎn)氫燃料，并可用于從水中隔離尿素，保持生態(tài)系統(tǒng)的長期可持續(xù)性，并徹底改變水-能關(guān)系。

來源：AAAS

亞氯酸鈉（Sodium hypochlorite，化學(xué)式：NaClO）是一種無色或淡黃色液體，常用作漂白劑和消毒劑。以下是亞氯酸鈉的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 氧化性：亞氯酸鈉是一種氧化性化合物，能夠與許多物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。

2. 氯化性：亞氯酸鈉在水中能夠迅速分解，生成次氯酸（HClO）和氫氧化鈉（NaOH）。亞氯酸是一種比亞氯酸鈉更強(qiáng)的氧化劑。

3. 消毒性：亞氯酸鈉具有較強(qiáng)的殺菌消毒作用，可用消毒水源、池塘和水處理。

4. 漂白性：亞氯酸鈉可用作漂白劑，能夠?qū)⒃S多染料和有機(jī)物氧化漂白。

5. 不穩(wěn)定性：亞氯酸鈉在陽光照射下會逐漸分解，所以需要存放在暗處，避免陽光直射。

需要注意的是，亞氯酸鈉是一種腐蝕性較強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，在處理和使用時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。同時(shí)，避免與酸性物質(zhì)或易燃物質(zhì)接觸，以免引發(fā)危險(xiǎn)反應(yīng)。