2023年5月4日，J. Mater. Chem. A在线发表了
山东大学魏巍教授和戴瑛教授课题组的研究论文
，题目为《Efficient urea formation from
N
2
O
+ CO on dual-atom catalysts
TM
2
/g-CN
》。
在工业上，尿素是在苛刻的条件下合成的，
它
消耗了全球约80%的
NH
3
。因此，开发电催化技术
实现绿色可持续尿素
合成具有重要意义。在此研究中，作者提出了一种新的电催化尿素合成机制，
N
2
O和CO分别作为氮源和碳源
。按照“1+2+2”策略，筛选出具有高稳定性、高活性和高选择性的双原子催化剂TM
2
/g-CN。研究结果表明，
Cr
2
/g-CN和Co
2
/g-CN对电催化
合成尿素
具有很高的活性，其极限电势分别为-0.19和-0.15 V
。同时，可以有效地抑制竞争性氮还原反应（NRR）和析氢反应（HER）。更有趣的是，
由于中间体的适当吸附强度，在Fe
2
/g-CN上自发形成尿素
。这项研究发现
ΔG
*NCON
是一个简单有效的描述符
，可以预测和设计电催化尿素合成的潜在电催化剂。
图1
(a)
N
2
O
+CO电催化合成尿素的原理图；(b) NH
3
合成竞争反应示意图
图2
(a) TM
2
/g-CN的原子构型；(b) 金属原子在g-CN上的结合能和内聚能；(c) 筛选尿素合成候选催化剂的“1+2+2”策略
图3
(a) TM
2
/g-CN上
*N
2
O
的吸附能；(b)
ΔG
*NN
和
ΔG
*N2O
的关系；(c) 电荷转移与
ΔG
*NCON
的关系；(d)
ΔG
*NCONH
和
ΔG
*NCOHN
的自由能变化；(e)
TM
2
/g-CN上尿素合成过程中的自由能变化；(f) 极限电势和
ΔG
*NCON
的关系
图4
(a)
TM
2
/g-CN上N
2
O/NH
3
的吉布斯自由能图；(b) 尿素和NH3形成之间的极限电势比较；(c)
TM
2
/g-CN上HER的吉布斯自由能图；(d) 尿素和HER形成之间的
极限电势
比较
图5 Cr
2
/g-CN、Fe
2
/g-CN和Co
2
/g-CN上尿素合成的自由能图和优化中间体
图6 (a) N
2
O吸附后N
2
O 2p和TM 3d轨道上的PDOS和COHP；(b) TM
2
/g-CN上NCON吸附的差分电荷密度；(c) NCON 2p和TM 3d轨道上的PDOS和COHP
Ren, Z., Wang, X., Wang, S. et al.
Efficient urea formation from
N
2
O
+ CO on dual-atom catalysts
TM
2
/g-CN
.
J. Mater. Chem. A
,
2023
, 11, 11507-11516. https://doi.org/10.1039/D3TA00896G
【其他相关文献】
[1] Zhu, X., Zhou, X., Jing, Y. et al. Electrochemical synthesis of urea on MBenes.
Nat. Commun
.,
2021
, 12, 4080. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24400-5
[2] 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
(纯计算)山东大学魏巍/戴瑛团队Small: 调整配位微环境以提高水电解和氧还原活性
(纯计算)山东大学马衍东/戴瑛团队Phys. Rev. Appl.: 主族金属与过渡金属耦合作为双原子催化剂用于NORR
(纯计算)山东大学马衍东/戴瑛团队Mater. Horiz.: P/S元素活化双原子催化剂助力NORR
