学术上的电解制氢技术，UOR是雪中送炭还是雪上加霜？

从事电催化相关领域研究的同学，应该对电解尿素并不陌生！

下面，我们以一组数据来说明电解尿素有多火！基于Web of Science数据库的查询，如下图所示，可以发现近年来，关于电解氧化尿素的文章数量不断猛涨！

背景介绍

然而， 需要注意的是，比起4电子反应的OER，尿素氧化反应UOR涉及6电子过程，因此，目前关于这类电解尿素的报道，通常研究高活性及选择性的电催化剂(由于反应电位区间部分重叠，OER与尿素会同时反应，提高催化剂的选择性也是提高电解效率的关键)，用于高效氧化尿素。(下面列举了几篇相关领域的高被引论文)

疑点重重

显然，这里面还存在许多问题。

1. 首先，最大的矛盾在这：众所周知，工业制取尿素，通常是以氨为原料，通过一系列工艺制得。那么NH3的来源，相信大家也不陌生——哈伯工艺制取氨，涉及高温高压，耗能巨大。而通过上述信息，可知电解尿素的产物是N2！可谓N2在非自然环境下的闭式循环了，而另一电解产物——H2，可作为原料，在制NH3过程被消耗！

工业制取尿素示意图

按照一个尿素分子，其分子式为CH4N2O，一个尿素分子电解可产生3个H2分子，而3个H2分子可用于生成2个NH3分子，接着2个NH3分子可以生产一个尿素分子。

从这个闭循环，我们可以看到，H2的生成与利用是相等的，因此单纯从工业生产制取尿素，将以电解制氢，这一说法根本行不通！

如果有其他来源的尿素呢，那么还需要考虑另一个问题，这种产品的成本，与传统电解水工艺相比，它是否能带来经济效益，可能需要格外关注！在此，本文对比不作更深的赘述！

2. 此外，我们关注到，UOR常被用于直接尿素燃料电池，该电池以工业尿素、人畜尿液和含脲废水中的尿素直接作为燃料的新型燃料电池，从而实现向外界输电以及净化污水的双重目的。

尿素燃料电池示意图

按照这个思路，研究尿素的高效氧化是具有一定的意义。然而，目前的文献报道，却仍然缺乏这类器件的研究，大多数研究只着重于电解制氢装置。可是，我们可以观察到，这二者的不同，最大的差别便是电解液的差异。大量文献的报道，总拿碱性电解液，如KOH，在其中加入一定量的尿素，观察尿素的加入对电解电压的变化。

电解尿素示意图及性能

而在这类尿素燃料电池中呢，电解液的环境更为复杂，这类生活污水或者工业废水中，不仅存在尿素，还存在着大量有机物、无机物。那么在这种情况下，阳极的氧化行为更加复杂，可能不仅是发生UOR，还可能存在大量的有机物氧化，甚至存在较低氧化电位的有机物，氧化选择性甚至优于UOR！此外，部分化合物还可能对电极的活性中心存在毒化作用，使催化剂失效！

批判VS继承

类似地，尽管CER的反应电位略高于OER，但是CER仅涉及2电子过程，在动力学上更加有利，因此，选择CER也可以有效降低电解电压。不同于UOR，Cl的来源广、成本低，海水中就有数不尽的资源！

但不同于UOR、OER，Cl氧化产生的Cl2，具有高氧化性，容易对电极、电解装置造成破坏，因此，在设计这类电解装置时，可从电解液的设计、气体收集等方向进行解决。

总结展望

电解制氢，道阻且长，共勉之！

【参考文献】

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