一天，河南大學教授時新建在家辦公，家里的泰迪犬在他旁邊撒了一泡尿，氣味頗為濃烈。那一刻，他突然靈光乍現：“能不能借助催化領域的技術，讓尿液得到更有效地利用呢？”
那時，時新建沒有想到，這泡“泰迪尿”會帶來一個重要突破。1月21日，時新建作為一作兼通訊的一項尿液研究以封面論文形式發表在《自然-催化》期刊，這也是河南省首次以第一單位在該期發表研究成果。相關研究還被Nature選為“亮點論文”進行報道。
在這項研究中，時新建與合作者將人與動物尿液中的尿素用電化學反應直接轉化為高純度過碳酰胺，這一處理技術將有助于變廢為寶，讓尿液這一城市發展的老大難問題變成“固態寶藏”。
“有趣”“有用”！期刊審稿人對該研究給予高度評價。
時新建團隊（2024畢業季）。受訪者供圖
一項“有味道”的研究
2021年，時新建從美國斯坦福大學博士后出站，成為河南大學的一名特聘教授。時新建是山東人，先后在韓國成均館大學、斯坦福大學獲得碩士與博士學位，并在西班牙海梅一世大學開展過合作交流，聚焦光電催化研究，在多個專業類頂尖期刊發表論文30余篇。
名校畢業、海歸經歷，加上手握多項成果，他為何選擇到一所“雙非”高校就職？
時新建直言：“很多人可能會過分關注學校的排名，但這其實是一個很膚淺的認識。對科研工作者而言，最關心的是科研平臺能否提供良好的科研條件，能否幫助實現科研理想。河大在軟硬件方面都給我實現科研目標提供了很好的平臺。”
時新建的科研理想是，能做一些有利于國計民生的事情。泰迪的那泡尿讓他聯想到在城市化進程中尿液和城市廢水處理中的棘手問題。
自古以來，中國人就有將尿液作為農家肥利用的傳統，這也使其擁有“液態黃金”之稱。“但在人口密集的城市或大型養殖場，農家肥的需求并不大，把尿液運到待處理或真正需要的地方，光是鋪設管道或組織運輸，就是一大筆成本。”時新建說，“而且集中式的廢水處理廠不僅能耗巨大，還會殘留大量的含氮廢物。”
那么，直接從尿液中提取尿素作為肥料呢？這聽起來似乎是個好主意，但實際上卻工藝復雜、成本高昂。在人們發現工業合成尿素成本更低后，從尿液中提取尿素的嘗試幾乎止步。
時新建想嘗試解決這個問題。在斯坦福期間，他開展的雙氧水研究曾遇到過挑戰。這是一種具有殺菌作用，可用于醫學、工業等領域的化學物質，想要提高其濃度就需要將其從液態轉為固態，但那時他一直不得其法。
“尿液中的尿素恰好可以與雙氧水結合，形成固態產物。這不就是個兩全其美的辦法嗎？”時新建想。
為了驗證這個想法，時新建帶領團隊啟動了一場“頗有味道”的尿液征集活動。“從實驗室成員到家人朋友，從人到寵物，大家都被發動起來了。雖然這個研究材料聽起來有點特別，但大家聽說有助于環保，都很支持！”他笑言，“我們的實驗前后收集了身邊數十人，還有多條泰迪犬和比熊犬的尿液。”
尿液收集回來后會經過一系列預處理：調節pH值、過濾獲取澄清液、冷凍干燥成一個個“尿餅”。在這些基礎工作完成后，他們才能通過合適的催化材料讓尿素和雙氧水發生反應，生成高純度、高附加值的固體衍生物——過碳酰胺。
時新建介紹，過碳酰胺在醫藥、紡織、食品、日化等領域具有廣泛的用途。如在臨床醫學中具有抗炎、抑制腫瘤細胞增殖、提高機體免疫力等多種作用，在制作消毒劑、漂白劑以及肥料等方面也大有用武之地。
這意味著，尿素與雙氧水兩個簡單化學物質的結合會帶來“1+1＞2”的多重利好。
時新建（左二）與團隊在討論實驗。受訪者供圖
時新建（前排左四）與合作團隊。前排左三為論文共同通訊作者呂鵬，左五為共同作者姜岳，后排作三為共同作者曾柏林。受訪者供圖
“沖鴨”！小分隊
但是，選擇合適的催化劑，是其中面臨的最大挑戰。
“傳統的貴金屬材料雖然催化性能好，但價格太高；便宜的過渡金屬又面臨選擇性和毒化的問題。最終我們將目光聚焦到碳基材料。”時新建團隊博士生、該實驗主要參與者曾柏林介紹說。
研究團隊通過對碳材料結構的精心設計和調控，在其表面構建了獨特的活性位點。這些位點能有效吸引尿液中的鈉離子富集，并進而促進尿素和雙氧水的清潔結合。有了這個突破，他們開發的原位電化學技術就能讓尿素分子在溫和條件下與雙氧水定向結合，形成易收集的晶態過碳酰胺。
然而，碳基材料背后的工作機制是什么？如何將其性能發揮到最優？
時新建團隊與同校的賈瑜教授、呂鵬博士合作，將實驗研究與理論模擬相結合，以期通過“雙軌并進、優勢互補”的方式回答這些問題。
“通過計算機模擬，我們可以驗證每個反應路徑是否可行。這不僅能指導實驗，還能幫助我們理解反應機理，從而更好地開展下一步實驗。”從事理論研究的賈瑜對《中國科學報》說。
“比如，從原子尺度來看，我們要確定究竟是什么樣的碳基材料原子結構最有利，能展現出最好的活性。在理論計算時，我們可以從不同角度建模。”同樣從事理論研究的呂鵬解釋說。
為了讓研究結果盡快“面世”，時新建為合作團隊建立了一個名為“沖鴨小分隊”的微信群。群里平均每天都有更新，遇到問題立即展開討論。有時，討論到關鍵處，怕微信上說不清楚，時新建會立刻和“小分隊”成員們一起到會議室將“線上”交流轉到“線下”。“我們都是一個系，辦公室相距只有幾十米，所以理論跟實驗互動非常頻繁。”賈瑜說。
加班加點也是“家常便飯”。呂鵬記得，2023年元旦期間，很多人都是休假或游玩時，“小分隊”就在研究討論；凌晨兩三點甚至徹夜工作也是常態，時新建在辦公室里放了一張簡易床，呂鵬也常常辦公室一住就是一星期……
饒是快馬加鞭，他們最初預計的投稿時間線仍然一推再推，從預計的9月，推遲到10月，最后一直推到了12月。
“沒辦法，要實驗和計算的地方太多了！”時新建說，近一年的時間里，他們構建了近千個計算模型模擬實驗過程，實驗記錄一度達到700多頁，生成500多幅數據圖片。
好在功夫不負有心人，他們終于揭開了這項化學反應的精妙之處——高度的選擇性。在碳基材料電催化作用下，尿液中的諸多成分里，只有尿素能與雙氧水結合形成晶體，而其他物質則留在液相中，從而讓研究者能夠精準地將尿素以固體形式提取出來，轉化為過碳酰胺晶體。經過簡單的重結晶過程，其純度可以達到近乎100%。
扎實的研究讓他們的投稿僅經過一輪修改就被接收。其中一位審稿人指出：“這項研究具有很高的價值。它展示了一種利用可再生電力，通過使用過氧化氫從尿液中回收尿素的替代方法，可以為廢棄物管理帶來巨大的環境和經濟效益。”
過碳酰胺獲取過程及廣泛的應用價值。受訪者供圖 時新建與團隊在做研究。受訪者供圖“不一定非得在名校才能做好的研究”
一直以來，工業上生產尿素需要在高溫高壓下讓氨氣和二氧化碳發生反應，能耗巨大。“我們的方法在溫和條件下就能實現轉化，不僅節能環保，還能保證產品的高純度和尿素分子的完整性。而且我們的碳基催化材料穩定性好、價格低廉。”時新建說。
這項從“液態黃金”提煉出“固態寶藏”的技術還蘊含著巨大的應用和轉化價值。研究顯示，該方法每日生產1噸過碳酰胺只需要100平方米的土地，以及來自6382戶家庭或3800頭奶牛的尿液，相比傳統方法成本更低，且能產生更純、更有價值的最終產物，具有很高的工程可行性。
尿液大規模集中處理概念圖。受訪者供圖令研究團隊驚喜的是，這項工作還入選了期刊封面。“我們的封面設計圖中，催化劑被設計成了蝴蝶的翅膀，意味著尿液廢水經過處理后，‘蛻變’為環境友好型的高附加值產物和較為干凈的液體。”時新建解釋說。
談起研究從想法“蛻變”為現實的密碼，他回答說：“因為有團隊的協作努力，每個人都全力以赴。”
面向未來，時新建已經構想出一套城市廢水處理產業化方案：設計出一個大型設備，尿液通過后，產生的固體被自動收集，液體繼續往前流動。經過反應池后，液體會變得越來越純凈，尿素含量越來越低。最終能將尿液轉化為純水、尿素以及其他無機鹽三相目分離，變廢為寶。
不止如此，在新能源領域，他所在團隊還與多家企業合作，針對海上能源站開發了基于光伏和光催化技術的原位產氫裝置創新技術。“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團隊。我相信在河大一樣可以建設這樣的團隊。”時新建說，“何況河大也有多個雙一流學科示范點，我們的材料學專業也在快速向雙一流學科發展”。
每天穿梭在河南大學鄭州校區古韻與現代交融的校園中，與同事和學生做著喜歡的研究，時新建覺得這就是最幸福的事情。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41929-024-01277-3
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