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Rapid Conversion of Co2+ to Co3+ by Introducing Oxygen Vacancies in Co3O4 Nanowire Anodes for Nitrogen Removal with Highly Efficient H2 Recovery in Urine Treatment

电解 电化学 阳极 化学 析氧 氧气 纳米线 分析化学(期刊) 无机化学 材料科学 电极 纳米技术 物理化学 色谱法 电解质 有机化学
作者
Yan Zhang,Xiaoya Huang,Jinhua Li,Jing Bai,Changhui Zhou,Lei Li,Jiachen Wang,Mingce Long,Xinyuan Zhu,Baoxue Zhou
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (13): 9693-9701 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c00729
摘要

Urine is a nitrogenous waste biomass but can be used as an appealing alternative substrate for H2 recovery. However, urine electrolysis suffers from sluggish kinetics and requires alkaline condition. Herein, we report a novel system to decompose urine to H2 and N2 under neutral conditions mediated by Cl• using oxygen-vacancy-rich Co3O4 nanowire (Ov-Co3O4) anodes and CuO nanowire cathodes. The Co2+/Co3+ cycle in Co3O4 activates Cl- in urine to Cl•, which rapidly and selectively converts urea into N2. Thus, electron transfer is boosted for H2 production, eliminating the kinetic limitations. The shuttle of Co2+ to Co3+ is the key step for Cl• yield, which is accelerated due to the introduction of Ov. Electrochemical analysis shows that Ov induces positive charge on the Co center; therefore, Co2+ loses electrons more efficiently to form Co3+. H2 production in this system reaches 716 μmol h-1, which is 320% that of non-radical-mediated urine electrolysis. The utilization of Ov-Co3O4 further enhances H2 generation, which is 490 and 210% those of noble Pt and RuO2, respectively. Moreover, urine is effectively degraded in 90 min with the total nitrogen removal of 95.4%, and N2 is the final product. This work provides new insights for efficient and low-cost recovery of H2 and urine remediation.
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