从“液态黄金”提炼“固态宝藏”

　　一天，河南大学教授时新建在家办公，家里的泰迪犬在他旁边撒了一泡尿，气味颇为浓烈。那一刻，他灵光乍现：“能不能借助催化领域的技术，让尿液得到更有效的利用呢？”

　　那时，时新建没有想到，这泡“泰迪尿”会带来一个重要突破。近日，时新建作为第一作者兼通讯作者的一项尿液研究，以封面论文形式发表于《自然-催化》。相关研究被《自然》选为“亮点论文”进行报道。

　　在这项研究中，时新建与合作者将人与动物尿液中的尿素用电化学反应直接转化为高纯度过碳酰胺。这一处理技术将有助于变废为宝，让尿液这一城市发展的老大难问题变成“固态宝藏”。

　　“有趣”“有用”，期刊审稿人对该研究给予了高度评价。

　　一项“有味道”的研究

　　2021年，时新建从美国斯坦福大学博士后出站，成为河南大学的一名特聘教授。时新建是山东人，先后在韩国成均馆大学、斯坦福大学获得硕士与博士学位，并在西班牙海梅一世大学开展过合作交流，聚焦光电催化研究，在多个专业类一流期刊发表论文30余篇。

　　名校毕业、海归经历，加上手握多项成果，他为何选择到一所“双非”高校就职？

　　时新建直言：“很多人可能会过分关注学校的排名，但这其实是很肤浅的认识。对科研工作者而言，最关心的是科研平台能否提供良好的科研条件，能否帮助实现科研理想。河南大学在软硬件方面都给我实现科研目标提供了很好的平台。”

　　时新建的科研理想是做一些有利于国计民生的事情。泰迪的那泡尿让他联想到城市化进程中尿液和城市废水处理中的棘手问题。

　　自古以来，中国人就有将尿液作为农家肥利用的传统，这也使其拥有“液态黄金”之称。“但在人口密集的城市或大型养殖场，农家肥的需求并不大，把尿液运到待处理或真正需要的地方，光是铺设管道或组织运输，就是一大笔成本。”时新建说，“而且，集中式的废水处理厂不仅能耗巨大，还会残留大量的含氮废物。”

　　那么，直接从尿液中提取尿素作为肥料呢？这听起来似乎是个好主意，但实际上这么做工艺复杂、成本高昂。在人们发现工业合成尿素成本更低后，从尿液中提取尿素的尝试几乎止步。

　　时新建尝试解决这个问题。他在斯坦福大学开展的双氧水研究曾遇到过挑战。双氧水是一种具有杀菌作用，可用于医学、工业等领域的化学物质，想提高浓度需将其从液态转为固态，但那时他一直不得其法。

　　“尿液中的尿素恰好可以与双氧水结合，形成固态产物。这不就是个两全其美的办法吗？”时新建想。

　　为了验证这个想法，时新建带领团队启动了一场“颇有味道”的尿液征集活动。“从实验室成员到家人朋友，从人到宠物，大家都被发动起来了。虽然这个研究材料听起来有点特别，但大家听说有助于环保，都很支持！”他笑言，“我们的实验前后收集了身边数十人，还有多条泰迪犬和比熊犬的尿液。”

　　尿液收集回来后要进行一系列预处理：调节pH值、过滤获取澄清液、冷冻干燥成一个个“尿饼”。在这些基础工作完成后，他们才能通过合适的催化材料让尿素和双氧水发生反应，生成高纯度、高附加值的固体衍生物——过碳酰胺。

　　时新建介绍，过碳酰胺在医药、纺织、食品、日化等领域用途广泛。比如在临床医学中，它具有抗炎、抑制肿瘤细胞增殖、提高机体免疫力等作用。此外，它在制作消毒剂、漂白剂以及肥料等方面也有用武之地。

　　这意味着，尿素与双氧水两个简单化学物质的结合会带来“1+1＞2”的多重利好。

　　“冲鸭小分队”

　　但是，选择合适的催化剂是最大的挑战。

　　“传统的贵金属材料虽然催化性能好，但价格太高；便宜的过渡金属又面临选择性和毒化的问题。最终，我们将目光聚焦到碳基材料。”时新建团队博士生、该实验主要参与者曾柏林介绍。

　　研究团队通过对碳材料结构的精心设计和调控，在其表面构建了独特的活性位点。这些位点能有效吸引尿液中的钠离子富集，进而促进尿素和双氧水的清洁结合。有了这个突破，他们开发的原位电化学技术就能让尿素分子在温和条件下与双氧水定向结合，形成易收集的晶态过碳酰胺。

　　然而，碳基材料背后的工作机制是什么？如何将其性能发挥到最优？

　　时新建团队与同校的贾瑜教授、吕鹏博士合作，将实验研究与理论模拟结合，以期通过“双轨并进、优势互补”的方式回答这些问题。

　　“通过计算机模拟，我们可以验证每个反应路径是否可行。这不仅能指导实验，还能帮助我们理解反应机理，从而更好地开展下一步实验。”从事理论研究的贾瑜对《中国科学报》说。

　　“比如，从原子尺度来看，我们要确定究竟什么样的碳基材料原子结构最有利，能展现出最好的活性。在理论计算时，我们可以从不同角度建模。”同样从事理论研究的吕鹏解释说。

　　为了让研究结果尽快“面世”，时新建为合作团队建立了一个名为“冲鸭小分队”的微信群。群里平均每天都有更新，遇到问题立即展开讨论。有时，讨论到关键处，怕微信上说不清楚，时新建会立刻和“小分队”成员们一起到会议室将“线上”交流转到“线下”。“我们都在一个系，办公室相距只有几十米，所以理论跟实验互动非常频繁。”贾瑜说。

　　尽管快马加鞭，他们最初预计的投稿时间仍然一推再推，从预计的9月推迟到10月，最后推到了12月。

　　“没办法，要实验和计算的地方太多了。”时新建说，近一年的时间里，他们构建了近千个计算模型模拟实验过程，实验记录一度达到700多页，生成了500多幅数据图片。

　　好在功夫不负有心人，他们终于揭开了这项化学反应的精妙之处——高度的选择性。在碳基材料电催化作用下，尿液中的诸多成分里，只有尿素能与双氧水结合形成晶体，而其他物质则留在液相中，从而让研究者能够精准地将尿素以固体形式提取出来，转化为过碳酰胺晶体。经过简单的重结晶过程，其纯度近乎100%。

　　扎实的研究让他们的投稿仅经过一轮修改就被接收。其中一位审稿人指出：“这项研究具有很高的价值。它展示了一种利用可再生电力，通过使用过氧化氢从尿液中回收尿素的替代方法，可以为废弃物管理带来巨大的环境和经济效益。”

　　“不一定非得在名校才能做好的研究”

　　一直以来，工业上生产尿素需要在高温高压下让氨气和二氧化碳发生反应，能耗巨大。“我们的方法在温和条件下就能实现转化，不仅节能环保，还能保证产品的高纯度和尿素分子的完整性。而且，我们的碳基催化材料稳定性好、价格低廉。”时新建说。

　　这项从“液态黄金”提炼出“固态宝藏”的技术还蕴含着巨大的应用和转化价值。研究显示，该方法每日生产1吨过碳酰胺只需要100平方米的土地，以及来自6382户家庭或3800头奶牛的尿液，相比传统方法成本更低，且能产生更纯、更有价值的最终产物，具有很高的工程可行性。

　　令研究团队惊喜的是，这项工作还入选了期刊封面。“我们的封面设计图中，催化剂被设计成蝴蝶的翅膀，意味着尿液废水经过处理后，‘蜕变’为环境友好型的高附加值产物和较为干净的液体。”时新建解释说。

　　谈起研究从想法“蜕变”为现实的密码，他回答说：“因为有团队的协作努力，每个人都全力以赴。”

　　面向未来，时新建构想出一套城市废水处理产业化方案：设计出一个大型设备，尿液通过后，产生的固体被自动收集，液体继续往前流动。经过反应池后，液体会变得越来越纯净，尿素含量越来越低，最终将尿液转化为纯水、尿素以及其他无机盐三相分离，变废为宝。

　　不仅如此，在新能源领域，他所在团队还与多家企业合作，针对海上能源站开发了基于光伏和光催化技术的原位产氢装置创新技术。“不一定非得在斯坦福等名校才能做好的研究，大家更在意的是是否在好的团队。我相信在河南大学一样可以建设这样的团队。”时新建说，“何况河南大学也有多个‘双一流’学科示范点，我们的材料学专业也在快速向‘双一流’学科发展。”

　　每天穿梭在河南大学郑州校区古韵与现代气息交融的校园中，与同事和学生做着喜欢的研究，时新建觉得这就是最幸福的事情。（宋书扉 冯丽妃）