原位电化学突破—从废液中提取尿素转化为高纯度过氧尿素

长期以来，尿液处理一直是城市污水处理中最复杂的环节之一。尿液中富含的尿素是具有潜在经济价值的氮源，但现有技术由于能耗高、分离效果差且环境成本高，难以实现经济性与环保性的平衡。

为解决这一问题，河南大学时新建教授联合贾瑜教授、吕鹏博士等人合作开发了一种创新性的原位电化学技术，通过绿色低能耗的工艺，将人类和哺乳动物尿液中的尿素利用电化学反应直接转化为高纯度过碳酰胺（一种高附加值尿素衍生物），首次实现原位电催化产固体过氧化物。这一技术不仅实现了尿素的高效分离，还将“废弃物”资源化，有效提升了污水处理的经济效益与环保性能（图1）。

图1：新型尿素提取方法与传统方法对比。

研究团队通过精准控制反应中的活性位点和结构设计，实现了尿素的高效转化和过碳酰胺的高纯度收集。实验显示，这种技术能够在低能耗条件下实现接近100%的过碳酰胺纯度，并将转化效率提升至新的高度（图2）。

图2：结构调控与机制创新。

更重要的是，这一技术形成了一个“生产—利用—回收”的闭环模式。在转化过程中，尿液中的氮元素被高效利用，同时减少了污水处理中的能源消耗和温室气体排放。这种方法为未来城市和农村的废水处理提供了可复制、可推广的新范式（图3）。

图3：尿液大规模集中处理概念图。

与此同时，研究团队验证了过碳酰胺作为一种新型高附加值产物，在农业、环境治理和医疗领域具有广泛的应用潜力（图4），此外，该路径生产成本低，市场价格具竞争力。

图4：过碳酰胺获取过程及广泛的应用价值。

该研究不仅标志着河南大学在可持续化学与资源化利用领域的重大突破，也为全球城市污水处理和资源回收提供了新的思路和视角。研究成果以题为“In situ electrochemical production of solid peroxide from urine”为题发表在Nature Catalysis，标志着原位电催化产固体过氧化物的首次突破。该成果入选封面文章，并在Nature系列专栏进行热点报道(标题：Extracting fertilizer from ‘liquid gold’ urine—从“液体黄金”尿液中提取肥料)。

河南大学时新建教授为论文第一作者，时新建教授、吕鹏博士和斯坦福大学郑晓琳教授为该论文的共同通讯作者，河南大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后国际交流计划项目、中国博士后科学基金项目、河南省留学人员择优资助项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41929-024-01277-3