陈智杰/倪丙杰/朱金良团队Chem Circularity：塑料+废电池+尿素废水=氢能？实现三废协同制氢新路径 | Cell Press对话科学家

2026-04-18 15:43

上海

可持续发展

Sustainability

2026年3月11日，澳大利亚新南威尔士大学陈智杰/倪丙杰团队联合广西大学朱金良在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Circularity上发表了题为“Co-valorization of plastic and battery waste into a borate-engineered NiCo catalyst for urea-assisted hydrogen production”的研究论文。

该研究提出了一种跨废物流协同资源化策略，将塑料废弃物与电池废水转化为高性能电催化材料，实现尿素废水中高效制氢。该工作不仅显著降低了电解能耗，还构建了“废物→催化材料→清洁能源”的闭环路径，为循环经济驱动的能源系统提供了新范式。

文章亮点

三废协同资源化新框架。塑料废弃物与电池废水用于催化剂构建，尿素废水用于制氢反应，实现功能分工与系统耦合；

硼酸盐电子结构调控机制。硼酸根诱导NiCo电子结构重构，降低反应能垒并提升尿素氧化动力学；

高效低能耗制氢体系。尿素电解电压较传统电解水显著降低（1.49V vs 1.75V），实现节能制氢；

真实废水条件稳定运行。在尿液废水中稳定运行48小时，制氢法拉第效率接近98%。

文章简介

在“碳中和”目标与资源约束日益加剧的背景下，如何实现废弃物的高效资源化利用，并将其与清洁能源生产过程深度耦合，已成为能源与环境领域的重要研究方向。当前，大量塑料废弃物、电池废水以及含氮有机废水（如尿素废水）广泛存在于工业与城市系统中。这些废弃物流不仅对生态环境造成长期压力，同时也蕴含着丰富的碳、金属及化学能资源。然而，现有技术大多针对单一废物流开展处理或利用，例如塑料的热解转化、电池废水中金属离子的回收，或尿素废水的生化处理等。这类“单废路径”虽然在局部实现了资源回收，但往往存在能耗高、流程割裂以及附加值有限等问题，难以支撑面向循环经济的系统级转型。

从系统层面来看，不同废弃物之间在组成与功能上具有互补性。例如，塑料废弃物富含碳骨架结构，可作为活性功能材料构建的理想载体；电池废水中富集的Ni、Co等过渡金属离子则具有优异的电催化活性潜力；而尿素废水作为一种高浓度含氮有机废液，其分子结构决定其在电化学过程中能够替代传统的析氧反应，从而显著降低水电解制氢的能耗。因此，若能够在材料构建与反应体系设计中实现多源废弃物的功能分工与协同耦合，将有望突破传统单一废物利用的瓶颈，构建“废物驱动”的新型能源转化体系。

基于上述认识，本研究提出了一种“三废协同驱动”的电化学制氢新策略，通过对塑料废弃物、电池废水以及尿素废水进行跨尺度整合，实现了从催化材料构建到电化学反应过程的系统优化（图1）。在材料层面，研究以塑料废弃物为碳源，通过热转化构建导电碳骨架，同时利用电池废水中的Ni、Co等金属离子作为前驱体，在碳基底上原位构筑NiCo基层状双金属氢氧化物（LDH）结构，从而实现固体废弃物与液体废弃物在材料构建层的协同利用。相较于传统依赖高纯化学试剂的催化剂制备方法，该策略不仅降低了材料成本，也实现了废弃物向功能材料的直接转化。

图1 多种废弃物协同驱动电化学制氢示意图

在反应层面，研究进一步引入尿素废水作为电解质中的反应底物，通过尿素电氧化反应（UOR）替代传统水电解中的析氧反应（OER）。由于尿素分子在电化学氧化过程中具有更低的反应能垒，该策略能够显著降低体系的工作电压，从而提升整体能源效率。同时，该过程实现了尿素废水的同步去除与氢气的高效产出，构建了污染物处理与能源生产的协同路径。

图2 废物基催化剂驱动尿素废水电解产氢

更进一步，作者通过引入硼酸盐调控策略，对催化剂的电子结构与界面环境进行精细调控。硼物种的引入能够调节金属中心的电子态分布，优化催化剂功函数，调控反应中间体的吸附与转化过程，从而显著提升尿素电氧化反应动力学。实验结果表明，该催化体系在产氢活性以及稳定性等方面均表现出优异性能（图2），体现出废物衍生催化材料在高效电化学体系中的应用潜力。

本研究的核心创新在于突破了传统“单废利用”或“单功能优化”的研究范式，提出并验证了一种基于“功能分工—系统耦合—闭环转化”的多废协同利用路径。在这一框架中，塑料废弃物与电池废水主要承担催化材料构建的功能，而尿素废水则作为反应底物参与能源转化过程，三者在不同层级实现协同耦合，共同构建了贯穿“废物资源化—催化材料构筑—清洁能源生产”的闭环体系。这一策略不仅提升了各类废弃物的利用效率，也为构建低能耗、可持续的氢能生产技术提供了新的思路。

总体而言，该工作从系统工程角度出发，将多源废弃物的资源属性与电化学反应需求相结合，提出了一种具有普适意义的“三废协同”技术范式。该范式为未来多类型废弃物的协同处理与高值化利用提供了重要参考，也为推动循环经济与绿色能源技术的深度融合奠定了基础。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文作者陈智杰副研究员进行了专访，请他为大家进一步解读。

CellPress：

关于您在Chem Circularity上发表的这项研究，最令您兴奋的是什么？

陈智杰副研究员：

最令我们兴奋的是，这项工作不仅解决了某一类废弃物的资源化问题，而是提出了一种具有普适意义的“三废协同”新范式。在该体系中，塑料废弃物和电池废水被用于构建电催化材料，而尿素废水则直接参与电化学反应实现高效制氢。这种“材料构建—催化转化”的功能分工，使不同废弃物在同一体系中实现协同耦合，构建了从废物到能源的闭环路径。相比传统单一废物处理策略，我们更关注系统层面的整合与价值放大，这也让我们看到多源废弃物协同驱动能源转化的巨大潜力。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？

陈智杰副研究员：

本研究的一个主要挑战在于如何实现不同来源废弃物之间的有效耦合。塑料废弃物与电池废水在组成、形态及反应行为上差异显著，直接整合往往会带来界面不稳定和性能波动等问题。为此，我们在材料构建阶段重点优化了碳骨架结构与金属物种的负载方式，同时通过硼酸盐调控策略稳定催化剂界面，并调节电子结构以提升反应活性。在反复试验过程中，我们也制备了大量的“失败样品”，但正是这些结果帮助我们逐步理解体系中关键调控因素，并最终实现稳定高效的协同材料体系。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

陈智杰副研究员：

在未来的研究中，我们将进一步拓展“多废协同高值化”策略的适用范围，探索更多类型废弃物在电/光化学体系中的协同利用路径。例如，引入不同类型的有机废水或工业副产物作为反应底物，同时开发更加通用的废物衍生催化材料体系。此外，我们也将重点推进该技术从实验室走向实际应用，包括反应器设计、连续流体系构建以及能效与经济性评估等，以实现从材料创新到系统集成的全面提升。我们希望通过这些工作，推动多源废弃物协同转化技术在实际能源与环境场景中的落地应用。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Chem Circularity来发表这个工作的原因？

陈智杰副研究员：

我们选择Chem Circularity，是因为该期刊聚焦资源循环与可持续技术，特别强调从系统层面理解和推动循环经济的发展理念。本研究提出的“三废协同”策略，正是围绕废弃物的协同利用与价值提升展开，契合期刊对于跨领域整合与实际应用潜力的关注。同时，Chem Circularity作为Cell Press旗下新兴期刊，致力于推动前沿研究成果与产业实践之间的连接，这与我们希望将基础研究进一步转化为可落地技术的目标高度一致。因此，我们认为该期刊是展示本工作理念与价值的理想平台。

作者介绍

陈智杰

副研究员

陈智杰，新南威尔士大学副研究员。现任Nano-Micro Lett.、Innov. Mater.、Nano Mater. Sci.等期刊(青年)编委。研究方向聚焦绿色技术开发，涵盖绿色功能材料创制、废物能源化利用、新兴污染物治理，以及资源提纯与高值回收等领域。目前以第一/通讯作者在Nat. Rev. Clean Technol., Prog. Mater. Sci., Adv. Mater., Sci. Bull., Nano-Micro Lett., Green Chem., Appl. Catal. B, Water Res.等期刊发表论文多篇，其中高被引论文10余篇。入选“全球前2%顶尖科学家年度榜单”(斯坦福大学/Elsevier; 2023-2025)。

朱金良

教授

朱金良，广西大学资源环境与材料学院教授，广西首批八桂青年拔尖人才，2014年毕业于中山大学，2015年以“学术骨干” 引进至广西大学，2022.10-2023.07年在清华大学化工系访问学习，长期从事锂/钠离子电池、锂硫电池和电解水催化剂研究。主持国家自然科学基金、广西重大专项子项等课题。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials等期刊上发表SCI论文90余篇，ESI高被引论文6篇；获国家授权发明专利5项。担任Rare Metals等期刊青年编委。曾获2017年广西重要技术标准奖励（排名三），2019年广西科学技术自然科学类一等奖（排名三），2024年中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖（排名二）。

倪丙杰

教授

倪丙杰，教授，新南威尔士大学土木与环境工程学院博士生导师，澳大利亚ARC Future Fellow和ARC DECRA Fellow获得者。长期致力于废弃物处理处置及资源化、高效低耗废水生物处理技术、绿色环境功能材料开发和污染物转化过程的机理解析与数学模拟等方面的研究工作，被评为澳大利亚顶尖创新工程师和亚太地区优秀青年科学家，目前已出版学术专著2部，撰写学术专著章节30余章，发表SCI论文400余篇，SCI论文引用次数超过40000次，H指数111。担任Cleaner Water等期刊主编、编辑及编委。