從事電催化相關(guān)領(lǐng)域研究的同學(xué)，應(yīng)該對(duì)電解尿素并不陌生！

下面，我們以一組數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明電解尿素有多火！基于Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢，如下圖所示，可以發(fā)現(xiàn)近年來(lái)，關(guān)于電解氧化尿素的文章數(shù)量不斷猛漲！

背景介紹

然而， 需要注意的是，比起4電子反應(yīng)的OER，尿素氧化反應(yīng)UOR涉及6電子過程，因此，目前關(guān)于這類電解尿素的報(bào)道，通常研究高活性及選擇性的電催化劑(由于反應(yīng)電位區(qū)間部分重疊，OER與尿素會(huì)同時(shí)反應(yīng)，提高催化劑的選擇性也是提高電解效率的關(guān)鍵)，用于高效氧化尿素。(下面列舉了幾篇相關(guān)領(lǐng)域的高被引論文)

疑點(diǎn)重重

顯然，這里面還存在許多問題。

1. 首先，最大的矛盾在這：眾所周知，工業(yè)制取尿素，通常是以氨為原料，通過一系列工藝制得。那么NH3的來(lái)源，相信大家也不陌生——哈伯工藝制取氨，涉及高溫高壓，耗能巨大。而通過上述信息，可知電解尿素的產(chǎn)物是N2！可謂N2在非自然環(huán)境下的閉式循環(huán)了，而另一電解產(chǎn)物——H2，可作為原料，在制NH3過程被消耗！

工業(yè)制取尿素示意圖

按照一個(gè)尿素分子，其分子式為CH4N2O，一個(gè)尿素分子電解可產(chǎn)生3個(gè)H2分子，而3個(gè)H2分子可用于生成2個(gè)NH3分子，接著2個(gè)NH3分子可以生產(chǎn)一個(gè)尿素分子。

從這個(gè)閉循環(huán)，我們可以看到，H2的生成與利用是相等的，因此單純從工業(yè)生產(chǎn)制取尿素，將以電解制氫，這一說(shuō)法根本行不通！

如果有其他來(lái)源的尿素呢，那么還需要考慮另一個(gè)問題，這種產(chǎn)品的成本，與傳統(tǒng)電解水工藝相比，它是否能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，可能需要格外關(guān)注！在此，本文對(duì)比不作更深的贅述！

2. 此外，我們關(guān)注到，UOR常被用于直接尿素燃料電池，該電池以工業(yè)尿素、人畜尿液和含脲廢水中的尿素直接作為燃料的新型燃料電池，從而實(shí)現(xiàn)向外界輸電以及凈化污水的雙重目的。

尿素燃料電池示意圖

按照這個(gè)思路，研究尿素的高效氧化是具有一定的意義。然而，目前的文獻(xiàn)報(bào)道，卻仍然缺乏這類器件的研究，大多數(shù)研究只著重于電解制氫裝置。可是，我們可以觀察到，這二者的不同，最大的差別便是電解液的差異。大量文獻(xiàn)的報(bào)道，總拿堿性電解液，如KOH，在其中加入一定量的尿素，觀察尿素的加入對(duì)電解電壓的變化。

電解尿素示意圖及性能

而在這類尿素燃料電池中呢，電解液的環(huán)境更為復(fù)雜，這類生活污水或者工業(yè)廢水中，不僅存在尿素，還存在著大量有機(jī)物、無(wú)機(jī)物。那么在這種情況下，陽(yáng)極的氧化行為更加復(fù)雜，可能不僅是發(fā)生UOR，還可能存在大量的有機(jī)物氧化，甚至存在較低氧化電位的有機(jī)物，氧化選擇性甚至優(yōu)于UOR！此外，部分化合物還可能對(duì)電極的活性中心存在毒化作用，使催化劑失效！

批判VS繼承

類似地，盡管CER的反應(yīng)電位略高于OER，但是CER僅涉及2電子過程，在動(dòng)力學(xué)上更加有利，因此，選擇CER也可以有效降低電解電壓。不同于UOR，Cl的來(lái)源廣、成本低，海水中就有數(shù)不盡的資源！

但不同于UOR、OER，Cl氧化產(chǎn)生的Cl2，具有高氧化性，容易對(duì)電極、電解裝置造成破壞，因此，在設(shè)計(jì)這類電解裝置時(shí)，可從電解液的設(shè)計(jì)、氣體收集等方向進(jìn)行解決。

總結(jié)展望

電解制氫，道阻且長(zhǎng)，共勉之！

【參考文獻(xiàn)】

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.7b04963

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ente.201600185

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433219337948