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在温和条件下从尿液中选择性提取尿素是城市污水处理的必要条件。
河南大学时新建、吕鹏，斯坦福大学郑晓琳
等人设计了一种原位电化学技术，将尿素——一种富含氮的物质，转化为过碳酰胺——尿素的结晶过氧化物衍生物。这一过程同时促进了尿液的处理，并将废物转化为有价值的产品。该系统使用经过优化的活性位点和结构的改性石墨碳基催化剂，固化过氧化氢并加速尿素转化。温度和尿素浓度的精确控制进一步提高了催化性能。
优化后的工艺在人类和哺乳动物尿液的转化中，都能达到近100%的过碳酰胺纯度。所收集的过碳酰胺在各个领域显示出显著的应用潜力。该方法建立了一个生产、利用和回收的闭环系统，为大规模尿液处理提供了一个可扩展的解决方案，具有重要的经济和环境价值。
相关工作以《
In situ electrochemical production of solid peroxide from urine
》为题在《
Nature Catalysis
》上发表封面文章。
这是河南省内高校和科研机构首次以第一署名单位在该期刊上发表研究成果；
并且，在河大新入职的青年教师群体中，这项研究是目前唯一一个入职后首篇通讯作者工作即发表于NS系列核心期刊的范例，同时也是以主要工作单位发表此类期刊中用时最短的一例。
值得注意的是，时新建教授接受中国网采访时谈到：这个工作
一开始成稿的时候有五六百幅图，加上文本共计700多页
。由于初始体量过于庞大，没有期刊会喜欢，大家曾建议将其在维持核心立意的高度不变的情况下，额外分出八九个工作来，这样既简洁、增加可读性，也能在论文数量上“创收”。但是在反复讨论之后，觉得虽然这样有利于形成更多的工作，但在中间一环扣一环的逻辑论证在分开后将降低些许整体的效果，更重要的是，从向读者能够更系统地展示所设计的体系出发，将这个大工作分割并不利于做科研的最终目标。在统一想法后，将这个初稿进行大幅的凝练、浓缩、删减和整合，最终形成了当前200多页的版本。其实该工作所花总时间中，有相当一部分时间在做凝练这个事情。
此外，时新建教授也表示，
做科研要敢于跳出舒适圈
！早在一开始入职时，一些朋友就曾建议，氧化水产双氧水这个领域已占着先机（Chem，2021，7，38；Nat.Commun.，2017，8，701），更稳妥的是基于这个角度，发表一些论文作为身份转变时的铺垫。但是时新建教授认为，想要实现真正的科技快速发展，创新的理念必须刻进每一个科研工作者的骨髓里。即便是自己去跟自己，很多时候核心层面的创新性已经不足了。目前，氧化水产双氧水这个领域也已经有不少人陆续在加入，算是个小热点了，它的后续发展是有充足保障的。
时新建教授表示：我这个人不喜欢待在舒适区里，如果让我在比较熟知的体系里、用我比较熟练的套路去开展工作，即便论文可以发得更好、更快，也并不是我想要的；反过来说，基于我之前的经验进而去闯一些相关但又不完全熟悉的方向，比较适合我爱折腾的性格。入职以后，我跟领导们汇报了我的想法，他们都很支持我的计划，愿意给予无条件的信任，这也让我开展起工作来更加有底气。详情可见链接：
科研访谈-时新建教授接受中国网采访
从时新建教授的主页（https://www.pecatshi.com/）上可以看到：自从入职河南大学后，除了2022年在《ACS Energy Letters》发表文章外(斯坦福大学为第一单位)，未曾以河南大学为第一单位发表过文章！入职几年没有发表文章，在如今卷的时代里，对于“青椒”的生存而言是多不容易！另外，可以看出，河南大学“慧眼识英雄”，能够无条件信任、支持青年人才专心做研究！
一段“伯乐与千里马”佳话，合力成就了河南省首篇《Nature Catalysis》！
从热力学角度来看，UCR过程既可以是尿素与传统氧还原反应中形成的*H
2
O
2
结合（称为途径I），也可以是尿素首先与吸附的*OOH中间体结合，然后进行氢离子加成质子化反应（称为途径II），如图1a所示。途径I需要一种富含大量双电子氧还原活性位点的催化材料，而途径II需要一种能够促进尿素与*OOH之间氢键的催化材料。经过优化的活性位点和结构的改性石墨碳基催化剂可以保持高的氧还原活性和选择性，，并且局部结构的调整极大地促进了尿素和*OOH在位点的结合。因此，该催化剂整合了途径I和途径II带来的优势，从而最大限度地促进过碳酰胺的生成。
作为初步步骤，研究了sp
3
杂化作为点缺陷处理的情况。探索了层间碳原子的面外键作为一种普遍的情况，以及它与其他常见缺陷类型的协同相互作用。引入轴向sp
3
杂化涉及在石墨烯的各种缺陷构型中加入与不同碳原子结合的甲基官能团，其热力学稳定性如图1b所示。研究了这些构型的sp
3
杂化对电催化氧还原活性的调制作用。结果表明，轨道杂化操纵（OHM）可以充分跟踪其相邻碳原子的电荷状态，并进一步影响*OOH的吸附强度。这种调制效应源于p带中心和费米能级的相对定位，以及负责*OOH面外吸附的p
z
轨道的重整化。在这一过程中，OHM起到了催化位置开关的作用，使吸附能力极强的位点失活，使其附近的位点活化，使其更具活性和选择性（图1c-f）。
在本研究中，采用层流预混还原性甲烷燃烧（LPRMC），通过一步过程实现了两个积极的效果：原始石墨碳（PGC）的表面和边缘同时加氢，并提供了必要的能量。在此过程中，H/O平衡对PGC的攻击起着至关重要的作用，导致表面活性炭位点的形成。在甲烷燃烧过程中，这些活性碳位点与其他活性碳位点、氢自由基（H·）或甲基自由基（CH
3
·）相互作用，导致上表面产生C-H型sp
3
缺陷，并促进C-C型sp
3
缺陷向体原子和边缘原子扩散，类似于多米诺骨牌效应。
利用这种方法活化石墨碳的一个显著好处是，它能够有效地来操纵轨道杂化水平（图2a、b），表明该方法对于碳基材料的改性具有高度可控性。与具有定义明确 sp
2
结构的PGC相比，显微结构揭示了AGC更高程度的无序信息。利用原位高温透射电子显微镜，观察到从有序晶态（图2c）到半准晶态（图2d），最终到无序态（图2e）的瞬间结构转变，从而为验证合成方法提供了实验证据。在将实验结果与分子动力学（MD）模型拟合的基础上，分析了OHM工艺中的成核和生长细节，动态过程经历了多个可识别的阶段，如图2f-h。
OHM工艺中，不仅破坏了面内结构，而且对z高度产生了很大的影响（图2i）。这对催化性能产生深远的影响，同时促进途径I和II。对于途径I，它增加了弯曲幅度的自由度，为提高催化活性提供了更多的可调性，如图1g所示。对于途径II，首先模拟了两种不同但理想的结构来表示从实验结果中观察到的弯曲结构，表明结构转变为有利于富集尿液中Na
+
等主要阳离子（图2j-l）。进一步的计算表明，富集的Na
+
有利于*OOH与尿素之间通过氢键形成强键（图1h），这可能是由于Na
+
离子的存在影响了静电相互作用的增强和空间接近度的降低（图1i、j）。
通过适用于电化学反应器的操作时间分辨电子自旋共振测试进一步证实了途径II的存在，如图2m所示。这样，由一个或多个维度高于点缺陷的OHM引起的碳结构变化最终通过两种不同的途径增强了UCR。进一步的模拟表明，电子浓度最高的区域对应于变形结构中的弯曲形态，产生局部强静电场，这提供了阳离子在AGC中富集的潜在原因。这一观察结果与实验电场测量结果相吻合，如图2n所示。
在模拟和计算之后，进行了一系列电化学过程来验证上述结果。首先，图3a说明了催化能力随OHM水平升高而变化的趋势，这是从过电位作为电化学性能信号与OHM水平的耦合中总结出来的。结果表明，OHM是催化性能的重要调节因素。旋转环盘电极试验如图3b、c所示，其中下半部为氧还原电流，上半部分为过氧化氢氧化电流。与PGC相比，AGC在半波电位和限制扩散电流上都表现出优势。此外，H
2
O
2
电流和法拉第效率存在显著差异，这意味着它们的催化效果存在很大差异，这是由活性位点数量的差异引起的。
图3d、e从两个不同的角度给出了基准分析。具体来说，图3d中的Tafel图表明，与由更复杂的组分组成或可能产生更高成本的催化剂相比，AGC的电化学性能是最好的。同时，图3e总结了催化剂合成过程中性能增强与处理时间的关系。接下来，在浓缩尿液中对样品进行评估，以评估过碳酰胺生产的功效。浓缩尿液是通过收集尿液的稳定和浓缩得到的，这是一个基于热力学分析的过程。从图3f可以看出，AGC和PGC继承了上述测试的性能差异。在此过程中，通过调节尿素浓度，施加电位发生变化以达到相同的电流密度（图3g），表明添加尿素后过电位增加。从电化学的角度来看，这种现象归因于尿素的非电解质性质。
进一步研究了过尿素在间歇电解池电化学测试中的沉淀行为。在图3h中，两条曲线分别描述了随时间累积的总沉淀量和单位日沉淀率。观察到，从第5小时开始，该过程大约经历了三个阶段，包括H
2
O
2
和过碳酰胺的局部积累和全局扩散阶段（阶段I）；高浓度的H
2
O
2
和过碳酰胺，加速沉淀（阶段II）；和尿素消耗（阶段III）。在流动池中进行测试有效地解决了不可持续产物沉淀的问题，并使尿素和H
2
O
2
能够在低于临界阈值的情况下重复使用，以进行另一轮过碳酰胺沉淀（图3i）。
通过在流动池内的试验，确定了不同偏差下的沉淀率形成了一个系统的准线性模式（图3j），遵循这些偏差下电流密度的趋势。因此，可以推断，在不同的电位下获得几乎相同的法拉第效率。图3l显示了300小时测试的电流-时间曲线。在测试过程中，固体沉淀首先发生在电极附近，随着时间的推移逐渐沉淀到反应器的底部和壁上。长期稳定性表明，AGC阴极和电化学体系在300 h内均保持满意，初始和刷新条件下复测的极化曲线基本相同。
