乔世璋院士，2025年首篇Angew！

成果简介

磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄）和磷酸二氢钾（KH₂PO₄）复合肥料在提高作物产量和品质方面具有显著优势。其中，氨（NH₃）对于合成这种复合肥是必不可少的，但NH₃是通过一个能源密集型的化学过程生产的。因此，开发高效、环保的方法生产含氨复混肥至关重要，而且极具挑战性。

基于此，阿德莱德大学乔世璋院士和郑尧教授、安徽大学陈平教授、同济大学吴彤研究员（共同通讯作者）等人报道了一个串联催化系统，能够通过电化学和后续化学过程相结合，在工业规模的反应器中将大量尿素完全转化为复合肥。该系统采用工业级工艺（每循环使用10 L电解液），在生成氢气（H₂）的同时将尿素（或尿素废水）完全转化为有价值的化学物质（纯复合肥），并在50次循环中表现出优异的稳定性，总共产生11600 L H₂。

在一个典型的循环中，产生1580 g复合肥和232 L H₂。通过在电解液中保持尿素与NO₂^–的精确摩尔浓度比为1/2，尿素可与NO₂^–完全反应生成N₂，而CNO^–可以在H₃PO₄处理的第二步中转化为NH₄⁺生成复混肥，实现尿素的完全转化而不产生副产物。该创新体系的关键是可扩展制备的电催化剂（S-NiOOH-Ni(OH)₂），该催化剂将尿素转化为NO₂^–和CNO^–具有高活性（在1.40 V下电流密度为505 mA cm^-2）和选择性（90%）。该方法不仅显著降低了产氢潜力，而且可以使工业含尿素废水或尿液中提取氨生产出纯复合肥（价格低于市场价），无需复杂的后处理工序，实现尿素资源的充分利用。它可以与部分清洁能源兼容，实现低碳目标，并具有产生H₂的能力（1 t肥料产生0.0083 t H₂），而传统方法消耗H₂（1 t肥料产生0.0044 t H₂）。

相关工作以《Urea Complete Conversion to Compound Fertilizer in Industrial-scale Tandem Reactors》为题发表在最新一期《Angewandte Chemie International Edition》上。

图文解读

在生产复合肥（KH₂PO₄和NH₄H₂PO₄）的Haber-Bosch法中，需要高温（400-500 ℃）和高压（20-50 MPa）。一个串联工业规模系统由电化学过程和随后的热化学过程组成，其中电化学过程中的主要反应包括尿素在常规碱性水电解槽中电催化氧化生成NO₂^–和CNO^–（阳极反应）和生成H₂（阴极反应）。在此过程中，当总尿素反应物的2/3被氧化为NO₂^–和CNO^–时，电化学过程完成，得到尿素与KNO₂（或KCNO）摩尔浓度比为1/2的电解液。随后，电解液在罐中进行化学反应过程（酸处理，pH=4.2，50 ℃），剩余尿素反应物与NO₂^–完全反应生成N₂。同时，剩余的CNO^–完全转化为铵根离子（NH₄⁺）。

图1.比较本文提出的方法与传统方法

图2.串联工业规模体系的理论优势

该系统包括电解装置（常规碱性水电解槽）、酸处理装置（总容积30 L的反应槽）和干燥装置（蒸发水量3 L h^-1的喷雾干燥机）。核心部件为电解槽，由17个单体电解槽组成（阴极总面积为1309 cm²），电解液总体积为10.0 L，制备的电极（泡沫镍上S-NiOOH-Ni(OH)₂）和商用镍网分别作为阳极和阴极。

在一个典型的循环中，200 g尿素、560 g KOH和9200 g水的混合物在200 mA cm^-2的恒定电流密度下，在70 ℃下进行2 h的电化学氧化反应，产生150 g KNO₂、180 g KCNO、64 g残余尿素（在电解液中）和232 L H₂。在70 ℃、200 mA cm^-2的恒定电流密度下，该体系的电解性能在50次循环（每次循环使用10 L电解液，持续2 h）中表现出显著的稳定性，总共产生了11600 L的H₂。

图3.串联式工业规模系统的实施

在0.52 V电压下UOR期间，NO₂^–和CNO^–浓度随时间发生变化。在12 h内，NO₂^–和CNO^–分别达到最大浓度0.21和0.23 mol L^-1。对于S-NiOOH-Ni(OH)₂作为工作电极，经过H₃PO₄处理后，尿素浓度逐渐降低，直至完全消耗，而NH₄⁺浓度上升至约0.23 mol L^-1。当电解质中尿素与NO₂^–的摩尔浓度比精确控制在1/2时，得到纯净的复合肥（KH₂PO₄和NH₄H₂PO₄）。此外，作者进行了13个循环实验，共156小时，并研究了最后一个循环中NO₂^–和CNO^–的浓度，该系统表现出优异的稳定性。

图4.串联工业规模系统的性能

图5.催化剂的活性成分、三电极电池的UOR性能及DFT计算

文献信息

Urea Complete Conversion to Compound Fertilizer in Industrial-scale Tandem Reactors. Angew. Chem. Int. Ed., 2025

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2025/02/12/02bd005592/

乔世璋院士，2025年首篇Angew！

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