尿素是一种重要的人工合成氮肥，在提高农作物产量，促进人口增长方面起到了重要作用。目前，尿素的工业合成主要采用的是Bosch-Meiser工艺，在高温（150–200 °C）、高压（150–250 bar）条件下二氧化碳和氨直接发生偶联生成尿素。由于苛刻的工艺条件以及巨大的尿素年产量，使得尿素合成消耗了大量的化石能源以及造成了严重的碳排放。电催化二氧化碳和硝酸盐的直接偶联合成尿素是一种潜在的替代方案。然而，在共电解中如何实现二氧化碳和硝酸盐的高效活化以及有效的C-N偶联是极具挑战的。使得目前的尿素电合成依然受限于低的尿素产率和低的法拉第效率。因此，如何设计催化位点，实现二氧化碳还原和硝酸盐还原活性位点的集成，实现高效的C-N偶联合成尿素是关键。
最近，大连物化所李杲，杭师大叶伟，浙江大学韩仲康团队合作，设计、合成了铁单原子/团簇复合结构，实现了高效的C-N偶联电合成尿素。通过浸渍、高温煅烧等结合，合成了铁单原子/团簇复合结构。研究结果表明，原子级分散的Fe1-N4位点主要负责CO2还原到关键中间体*CO，Fe团簇主要负责NO3-还原到关键中间体*NH2。在单原子和团簇的界面处，由于两个中间体足够近的距离而发生C-N偶联得到尿素。鉴于铁单原子/团簇的协同作用，该复合结构在-0.9 V下，尿素的生成活性达到了38.2 mmol gcat-1 h-1，最优的尿素法拉第效率在-0.6 V下达到了66.5%。进一步通过原位谱学表征以及理论计算解析了反应机制。该工作为理解C-N偶联的反应机制，设计合成高性能的尿素电合成催化剂提供了新的思路。
上述研究工作得到了国家自然科学基金（22172167 , 21606219）的资助。
论文信息：
Boosting Up Electrosynthesis of Urea with Nitrate and Carbon Dioxide via Synergistic Effect of Metallic Iron Cluster and Single-Atom
Zhiwen Li, Mengqiu Xu, Jiaqian Wang, Yifei Zhang, Wen Liu, Xinrui Gu, Zhong-Kang Han*, Wei Ye*, Gao Li*
Small
DOI: 10.1002/smll.202400036
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