利用二氧化碳（CO2）和硝酸盐（NO3−）电合成尿素是一种相较于传统高能耗工业过程的可持续替代方案。阻碍这一技术进步的主要挑战在于开发先进的电催化剂，这些催化剂需要能够高效地利用丰富且低成本的二氧化碳和氮源，生产出具有高法拉第效率（FE）和高电流密度的尿素。
近日，中山大学廖培钦教授课题组设计并制备了一种由镍酞菁（NiPc）配体和平面FeO4节点构建的新型二维金属有机框架（MOF）——PcNi−Fe−O作为电合成尿素的电催化剂，其性能超越了大多数已报道的电催化剂。
PcNi−Fe−O在中性水溶液中表现出卓越的性能，在−0.6 V vs. RHE电压下，尿素的法拉第效率高达54.1%，电流密度为10.1 mA cm−2。在10.1 mA cm−2的电流密度下连续运行20小时，未观察到明显的性能下降。更重要的是，通过将电极面积扩展至25 cm2并进行8小时的操作，该课题组成功生产了0.164克高纯度尿素。这一成果突显了工艺规模化的可行性，展示了其工业应用的潜力。
机制研究揭示了性能增强可能归因于PcNi−Fe−O中NiPc和FeO4位点之间的协同作用，其中FeO4位点生成的NH3能够高效迁移并与NiPc位点上的*NHCOOH中间体耦合。这种协同作用导致C−N键形成的能垒低于已报道的单活性位点催化剂，显著提高了尿素的生成性能。通过NH3迁移实现的双位点协同催化机制相比于单位点催化更为高效，这种尿素合成机制在文献中尚未有报导。
本研究强调了多活性位点协同效应在提高多步电催化反应效率中的重要性，并为高效电合成小分子的催化剂设计提供了宝贵的见解。
论文信息
Highly Efficient Electrosynthesis of Urea from CO2 and Nitrate by a Metal–Organic Framework with Dual Active Sites
Xiao-Feng Qiu, Jia-Run Huang, Prof. Can Yu, Prof. Xiao-Ming Chen, Prof. Pei-Qin Liao
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202410625
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