中國科學院化學研究所在光電催化尿素分解方面取得新進展

尿素氧化反應是環境氨氮廢水處理的重要途徑，同時也是光電化學水裂解制氫中廣受關注的陽極半反應。高效的尿素-亞硝酸鹽轉化有助于實現人工氮循環的閉環，建立可持續的氮經濟。然而，當前光電催化尿素分解研究中往往面臨著緩慢的碳?氮鍵解離動力學與低產物選擇性等問題。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學所光化學實驗室趙進才課題組章宇超等在光電催化氨氮廢水處理方面取得了一系列重要進展（Angew. Chem. Int. Ed. 2022,61,e202214580；Angew. Chem.,Int. Ed.2024,63,e202316218；Energy Environ. Sci.2024,17,4681），揭示了光電化學全解池中偏壓分布的普遍規律與調控原則（Natl. Sci. Rev.2024,11,nwae053）。

最近，他們發現在氧化鎳修飾的N型硅光陽極表面，捕獲態空穴與吸附態尿素之間存在強吸引作用，其可誘發近乎無能壘的氮–氧偶聯過程，繼而削弱尿素分子中碳–氮鍵的成鍵能力并提升尿素分解動力學。定量結果顯示，當表面空穴（高價鎳–氧物種）覆蓋度由0提升至1時，尿素分解活化能從0.74 eV降低至0.41 eV，對應的尿素分解速率提升超兩個數量級。進一步地，通過增加輻照強度促進表面空穴累積，在1.08 VRHE的低偏壓下實現了100 mA cm?2的工業級光電流密度。這一工作為提升光電催化尿素氧化活性提供了新策略。

相關研究成果發表于Angewandte Chemie International Edition(DOI: 10.1002/anie.202423457)。論文第一作者為博士生黨昆，通訊作者為章宇超研究員。

光電催化尿素分解過程中的吸附質-吸附質相互作用