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Lattice-Engineered Nickel Oxide for Electrocatalytic Urea Recycling with Near-Unity N 2 Selectivity

化学 尿素 选择性 电化学 分子内力 无机化学 催化作用 氧化物 非阻塞I/O 甲烷氧化偶联 氮气 分子 石墨烯 氧化镍 电催化剂 流出物 激进的 过渡金属 组合化学 键裂
作者
Zhe Chen,Jili Li,Ya Li,Ya Li,Xudong Liu,Tao Jiang,Wei Du,Shengshuo Xu,Xiangchen Hu,Can Lei,Yaming Hao,Ran Wang,Xueting Cao,Yi Yu,Yefei Li,Yefei Li,Zhipan Liu,Ming Gong,Xuejing Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (7): 6850-6859 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c13017
摘要

Circulating nitrogen is crucial to the sustainability of our living system. Urea is a central form of nitrogen species that sustains our food supply, but its natural abundance in fertilizing effluent and human metabolite demands circulating technology back to innocuous dinitrogen (N 2 ), while it would otherwise pollute the environment. Electrochemical urea reforming can fragment the urea molecule into N 2 and dihydrogen (H 2 ) using renewable electricity, and N 2 can be formed directly via oxidative intramolecular N–N coupling on catalytic surfaces. However, this reforming technology remains elusive due to the low N 2 selectivity. Herein, we uncovered a urea oxidation pathway that selectively splits urea into N 2, driven by nickel oxide (NiO) lattices with adjacent Ni sites. The double-ended urea coordination on NiO facilitates intramolecular N–N coupling and suppresses C–N cleavage toward undesired overoxidation products. Further lattice engineering via Al substitution creates the optimal performance of near-unity N 2 selectivity toward N-based products and a 1 order of magnitude higher N 2 production rate compared to those of most reported catalysts. The electrochemical urea reforming devices can effectively split urea into N 2 and H 2 using both synthetic urea and artificial urine, reviving this technology as a bridge of sustainable energy and environmental treatment toward the water–energy–food nexus.
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