脉冲电催化高效合成尿素

利用电催化实现CO₂和NO₃^–之间的C–N偶联以合成尿素，是Bosch–Meiser尿素合成工艺的一种极具前景的替代途径。近日赣南师范大学张勇课题组联合清华大学王定胜团队提出了一种脉冲电还原策略，实现了高效电催化合成尿素。

尿素 (CO(NH₂)₂) 不仅是不可或缺的肥料，也是工业生产中广泛使用的化学原料。工业合成尿素的途径主要为Bosch–Meiser工艺，即将二氧化碳(CO₂)和氨(NH₃)在高温(~200 °C)和高压(~210 bar)条件下进行热化学偶联。该途径合成条件苛刻，需要消耗大量的化石燃料，并导致严重的CO₂排放。在环境条件下，利用CO₂与含氮化合物通过电化学合成尿素受到越来越多的关注。然而，CO₂和NO₃^–电催化共还原过程中存在动力学不匹配、C-和N-组分复杂、催化剂易发生重构、阴离子反应物（NO₃^–）在阴极受到静电排斥等问题，导致C–N偶联面临着性能不足以及稳定性低等挑战。而利用脉冲电还原策略能克服静电相互作用的限制，提高硝酸盐在工作电极附近的迁移和转化效率，从而促进尿素的有效合成。

针对上述挑战，该研究提出了一种脉冲电还原策略，通过周期性更新能斯特扩散层活性物质浓度，克服了静电相互作用，提高了阴离子反应物和活性中间体在工作电极附近的浓度；开发的Cu-O-Si界面位点在电催化尿素合成方面表现出卓越的性能，具有高产率、高选择性和优异的稳定性。

图1.（a）Cu-O-Si界面位点的构建及其脉冲策略电催化尿素合成策略示意图；（b）Cu-O-Si界面与文献已报道材料在过电势、能量效率、法拉第效率、产率和稳定性五个维度上的性能对比；（c）原位拉曼、（d）红外光谱、（e）原位电化学质谱监测反应过程中中间体物种深入揭示了Cu-O-Si原子界面电催化合成尿素的反应机理。

该研究通过构建Cu-O-Si原子界面，Si能够很好的稳定Cu活性位点，使其在电催化过程中不被重构。并且引入周期脉冲电催化的策略，在最优的脉冲电解条件下实现过电势、能量效率、法拉第效率、产率和稳定性五个维度上领先的电催化尿素合成性能（图1b），并通过原位拉曼、红外光谱和原位电化学质谱监测反应过程中中间体物种（图1c-d），结合DFT理论计算深入揭示了Cu-O-Si原子界面电催化合成尿素的反应机理，探究Cu-O-Si活性位点在尿素合成反应中的“结构-活性”关系。

这一成果在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是赣南师范大学教师邱伟斌和硕士研究生秦仕梅。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Overcoming Electrostatic Interaction via Pulsed Electroreduction for Boosting the Electrocatalytic Urea Synthesis

Weibin Qiu, Shimei Qin, Yibao Li, Ning Cao, Weirong Cui, Zedong Zhang, Zechao Zhuang, Dingsheng Wang, Yong Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202402684

作者简介

邱伟斌博士：赣南师范大学教师，主要从事电催化小分子转换相关的研究工作主持了包括国家自然科学基金在内的4项国家和省部级项目，参与完成3项国家自然科学基金。在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ.等期刊上发表20余篇，其中ESI热点论文2篇，ESI高被引论文3篇。

张勇：赣南师范大学教授，江西省杰出青年基金获得者，入选“赣鄱俊才支持计划•高校领军人才培养项目”青年领军人才。主要从事功能多孔材料和金属纳米催化研究工作。主持国家自然科学基金3项，省级科研项目3项。在Angew. Chem. Int. Ed., Green. Chem., ACS Appl. Mater. Interface, Chem. Eng. J.等SCI学术期刊发表论文26篇。

王定胜：清华大学教授，1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授，2023年12月，晋升为教授。2015年获博士生导师资格。主要从事金属纳米催化方向的研究工作，目前已在Nature, Nature Nanotech., Nature Chem., Nature Catal., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等国际顶级期刊上发表多篇高水平论文。2012年获全国优秀博士学位论文奖，2013年获国家优秀青年科学基金，2018年获青年拔尖人才计划，2023年获国家杰出青年基金。

https://www.x-mol.com/university/faculty/12030