2023年11月1日，Nat. Commun.在线发表了杭州师范大学叶伟副教授、高鹏教授、陈靓副教授和哈尔滨工业大学吴晓宏教授
课题组的研究论文，题目为《
Kinetically matched C–N coupling toward efficient urea electrosynthesis enabled on copper single-atom alloy
》。
尿
素（C
O(NH
2
)
2
）是现
代社会重要的化肥，其极大促进了农业的发展，并对世界人口的快速增长做出了贡献。在可再生电力的驱动下，CO
2
和N
O
3
–
的化学
C-N偶联
用于尿素合成，其是Bosch-Meiser尿素生产的一种有吸引力的替代方案。然而，C
O
2
和N
O
3
–
还原
反应中不匹配的动力学以及共同还原中涉及C和N物种的复杂性使C-N偶联面临挑战，导致尿素产率和法拉第效率较低。
在此研究中，作者报道了一种单原子铜合金的Pd催化剂（
Pd
4
Cu
1
），它可以实现尿素电合成的高效C-N偶联。
C
O
2
和N
O
3
–
的还原动力学通过控制Cu掺杂水平和
Pd
4
Cu
1
/FeNi(OH)
2
界面来调节和匹配
。
电
荷极化的
Pd
δ–
-
Cu
δ+
双位点
稳定了关键的*CO和*N
H
2
中间体，促进了C-N
偶联
。合成的
Pd
4
Cu
1
-FeNi(OH
)
2
复合催化剂的尿素产率为4
36.9
mmol
g
cat.
–
1
h
–
1
，
法拉第效率为66.4%，长循环稳定性为1000 h。原位光谱结果和理论计算表明，
原子分散的Cu在Pd晶格中促进了N
O
3
–
到*NH
2
的深度还原，并且Pd-Cu双位点降低了*NH
2
和*CO之间关键C-N
偶联
的能垒
。这项
研究
工作为从单原子合金的角度设计高效、选择性和鲁棒的
C-N偶联
催化剂提供了新的思路。
图1
Pd
4
Cu
1
-Ni(OH)
2
样品的表征
图5
Pd
4
Cu
1
-FeNi(OH)
2
样品的表征
Xu, M., Wu, F., Zhang, Y. et al. Kinetically matched C–N coupling toward efficient urea electrosynthesis enabled on copper single-atom alloy.
Nat. Commun.
,
2023
, 14, 6994. https://doi.org/10.1038/s41467-023-42794-2
【其他相关文献】
[1] Chen, C., Zhu, X., Wen, X. et al. Coupling N
2
and CO
2
in H
2
O to synthesize urea under ambient conditions.
Nat. Chem
.,
2020
, 12, 717–724. https://doi.org/10.1038/s41557-020-0481-9
[2]
Lv, C., Zhong, L., Liu, H. et al. Selective electrocatalytic synthesis of urea with nitrate and carbon dioxide.
Nat. Sustain
.,
2021
, 4, 868–876. https://doi.org/10.1038/s41893-021-00741-3
[3]
Zhang, X., Zhu, X., Bo, S. et al. Identifying and tailoring C–N coupling site for efficient urea synthesis over diatomic Fe–Ni catalyst.
Nat. Commun
.,
2022
, 13, 5337. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33066-6
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