Lewis acid-triggered hydroxyl spillover enables selective urea electrooxidation to nitrite with concurrent energy-saving hydrogen production

化学 尿素 路易斯酸 溢出效应 产量(工程) 电化学 亚硝酸盐 无机化学 劈理(地质) 制氢 组合化学 羟胺 电极 化学合成 催化作用 有机化学
作者
Chao Fan,M L Zhang,YunChao LI,Yali Zhang,Yan-Qin Wang,Feilong Gong,Jian Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1): 1585-1585 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41467-026-68302-w
摘要

Nitrite (NO2⁻) is a high-value chemical pivotal to agriculture and pharmaceuticals, yet its conventional via the Ostwald process is energy-intensive and polluting. Electrochemical urea oxidation reaction (UOR) offers a sustainable NO2⁻ synthesis pathway with concurrent energy-saving hydrogen (H2) production, but suffers from non-selective N2/CO2 pathways. Here, we report Cr3+ Lewis acid sites in Ni3S2 that act as hydroxyl (OH⁻) pumps, dynamically spilling OH⁻ to adjacent Ni sites via a Lewis acid-base interaction. This triggers a urea-to-NO2⁻ pathway, achieving a NO2⁻ yield of 120.98 mg h-1 cm-2 (600 mA cm-2). The OH⁻ spillover accelerates C-N cleavage while suppressing N-N coupling, enabling energy-saving H2 production (3.7 kWh m-3 at 500 mA cm-2) and Zn-urea-air batteries (charging potential 288 mV lower than Zn-air). Techno-economic analysis reveals $1,210.5 per ton of urea processed at 400 mA cm-2. This work establishes OH⁻ spillover as a universal design principle for selective electrocatalysis. Electrochemical urea oxidation can coproduce nitrite and H2, but it typically lacks selectivity. Here, the authors address this issue by designing doped Lewis acid sites to trigger a hydroxyl spillover mechanism, resulting in highly selective nitrite production and efficient energy conversion.
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