同济大学刘睿团队Adv. Sci.：可充电金属-尿素电池：电化学解耦尿素分解生产高纯度氢气

第一作者：吕冬

通讯作者：刘睿*

单位：同济大学

尿素废水因其高浓度、高氨氮含量及生物毒性，对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统处理方法如物理吸附、热解和水解法虽有一定效果，但存在能耗高、资源回收困难等问题。同时，传统电解水制氢技术因阳极氧析出反应（OER）的高过电位和气体分离难题，限制了其实际应用。为此，同济大学团队创新性地提出了一种时间解耦的可充电金属-尿素电池，将尿素废水转化为高纯度氢气。

近日，同济大学刘睿教授团队在国际知名期刊《Advanced Science》上发表题为“Time-Decoupled Electrolysis via a Rechargeable Metal-Urea Battery for Waste Urea Treatment and Hydrogen Production”的研究论文。该研究设计了一种基于双功能Ni/Mo₂C@CMF催化剂的金属-尿素电池，通过时间解耦的尿素氧化反应（UOR）和氢析出反应（HER），实现了尿素的高效分解与高纯度氢气的连续生产。该电池在20小时内法拉第效率高达99%，最大功率密度达3.4 mW cm^-2，为废水处理和清洁能源生产提供了创新解决方案。

研究团队通过一步聚合法合成了Ni/Mo₂C@CMF催化剂，其独特的碳微米花结构和均匀分布的Ni/Mo₂C纳米颗粒提供了丰富的活性位点。XPS和XRD分析证实了Ni和Mo₂C的成功复合，且催化剂在UOR和HER中均表现出优异的活性和稳定性。

在1 M KOH和0.5 M尿素溶液中，Ni/Mo₂C@CMF催化剂的UOR起始电位仅为1.379 V（vs RHE），Tafel斜率为45.1 mV dec^-1，表明其快速的反应动力学。同时，HER性能同样突出，仅需163 mV过电位即可达到10 mA cm^-2的电流密度。

锌-尿素电池在放电过程中通过水还原产生氢气，充电过程中通过尿素氧化实现尿素分解。电池的最大功率密度达3.4 mW cm^-2，氢气生产速率为0.092 mmol h^-1 cm^-2，法拉第效率高达99%。此外，团队还验证了铝-尿素电池和锌-人工尿液电池的可行性，展示了该技术的广泛应用潜力。

该技术不仅为尿素废水处理提供了高效、可持续的解决方案，还为清洁氢能生产开辟了新途径。未来可通过优化催化剂和电池设计，进一步提升性能并降低成本，推动其工业化应用。

Time-Decoupled Electrolysis via a Rechargeable Metal-Urea Battery for Waste Urea Treatment and Hydrogen Production