内蒙古大学/郑州轻工业大学,新发Nature Communications!

当今全球面临着双重挑战：一方面，农业与制药业对亚硝酸盐等基础化学品的需求持续攀升，但传统工业生产依赖高温高压的能耗密集型工艺，不仅碳足迹巨大，还会释放有害的氮氧化物废气；另一方面，尿素作为含氮量最高的有机分子，广泛存在于工业废水中，构成严峻的环境负担，却也是亟待开发的"液态氮源"。电化学尿素氧化反应（UOR）本可成为连接这两端的绿色纽带——在净化废水的同时联产氢能，然而，反应路径的选择性难题长期困扰学界：催化剂往往倾向于将尿素彻底分解为氮气（N₂）和二氧化碳，而非保留氮元素的氧化态以合成高附加值的亚硝酸盐。这一困境的核心在于，如何精准调控催化剂表面的羟基（OH⁻）分布，使其既能高效断裂碳氮（C-N）键，又能规避氮氮（N-N）偶联的热力学陷阱。

针对上述瓶颈，内蒙古大学刘健教授和王艳琴副教授、郑州轻工业大学巩飞龙副教授（共同通讯作者）等人提出了一种"羟基泵"催化策略。研究团队巧妙地在硫化镍（Ni₃S₂）晶格中引入铬离子（Cr³⁺）作为路易斯酸位点，利用其对羟基的强亲和力构建动态溢流通道——如同搭建了一条分子级输水管道，将富集的羟基持续输送至相邻的镍活性位点。结合先进的光谱学与理论计算，研究证实这种溢流效应不仅加速了高活性镍氧物种的生成，更重要的是重构了反应能垒：它像一位精准的"交通警察"，引导尿素分子走向亚硝酸盐的生成路径，同时阻断通往氮气的分叉路口。该催化剂在工业级电流密度下展现出卓越的亚硝酸盐产率与稳定性，并将电解制氢的能耗显著降低，为废水资源化与绿色化工生产开辟了一条兼具经济价值与环境效益的新途径。

该研究通过精准构筑Cr³⁺路易斯酸位点掺杂的Ni₃S₂电催化剂（Cr-Ni₃S₂），创新性地揭示了路易斯酸-碱相互作用驱动的羟基溢流（OH⁻ spillover）机制——Cr³⁺作为"羟基泵"动态捕获并溢流离羟基至邻近Ni位点，既加速了高活性NiOOH物种的原位生成，又通过优化C-N键断裂与抑制N-N偶联的竞争动力学，实现了尿素选择性电氧化制亚硝酸盐（NO₂⁻产率达120.98 mg h⁻¹ cm⁻²，法拉第效率>85%）与节能制氢（能耗降至3.7 kWh m⁻³H₂）的协同耦合。该策略不仅显著降低了锌-尿素-空气电池的充电过电位（288 mV），且技术经济分析证实其具备工业级盈利潜力（$1,210.5/吨尿素），更为广义层面设计选择性电催化体系提供了"通过路易斯酸位点调控反应微环境"的普适性范式。未来研究可进一步拓展至其他硬路易斯酸（如Ti⁴⁺、Sn⁴⁺）及多元异质结基质，深化对溢流动力学与反应路径选择性的理论认知，推动工业废水高值化利用与分布式绿色氢能技术的规模化应用。

Lewis acid-triggered hydroxyl spillover enables selective urea electrooxidation to nitrite with concurrent energy-saving hydrogen production. Nat. Commun., 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-68302-w.