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尿素是农业和工业中广泛应用的重要化学品，传统生产方法需要高温高压，消耗大量能源并排放大量CO₂。通过电化学途径利用CO₂和硝酸盐（NO₃⁻）进行尿素合成，提供了更加环保的选择。然而，尿素电合成的C-N偶联过程较复杂，效率较低。本文提出了通过Cu/Cu₂O异质界面催化剂调控C-N偶联动力学，显著提升了尿素电合成的效率，实现了高选择性、低能耗的尿素生产。
成果简介
研究团队开发了一种Cu/Cu₂O异质整流界面催化剂，利用Cu₂O纳米线的原位电还原来构建高效电催化剂。在0至-0.3 V（相对可逆氢电极，RHE）的超低电位下，Cu/Cu₂O催化剂展示了32.6%至47.0%的法拉第效率（FE）以及每小时每平方厘米6.08至30.4微摩尔的尿素产率。通过同步辐射傅立叶变换红外光谱（SR-FTIR）确认了CO和NOH中间体的生成，并通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了异质界面对*CO的吸附和C-N偶联过程的优化作用。
研究亮点
Cu/Cu₂O异质整流界面：该界面通过调控Cu与Cu₂O的电子结构，增强了CO和NOH中间体的结合，促进了尿素合成中的C-N偶联。
高效尿素电合成：在超低电位下，Cu/Cu₂O催化剂展示出32.6%至47.0%的FE和高达30.4 μmol h⁻¹ cm⁻²的尿素生成速率。
低能耗的反应机制：该催化剂大幅降低了尿素合成的反应能垒，加速了反应动力学，显著提高了反应效率。
工业化潜力：通过将尿素电合成与甲醛氧化反应相结合，显著降低了能量消耗，为工业应用提供了新路径。
长期稳定性：Cu/Cu₂O催化剂在长时间连续运行过程中保持了高效的尿素生成能力，表现出良好的催化稳定性。
配图精析
图1：Cu/Cu₂O纳米线的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，展示了Cu与Cu₂O的异质界面结构，揭示了界面对中间体吸附和反应路径的调控作用。
图2：不同电位下的电化学性能，包括线性扫描伏安曲线（LSV）和尿素生成的法拉第效率，证明了Cu/Cu₂O在超低电位下的优异性能。
图3：原位SR-FTIR光谱显示了CO和NOH中间体在反应中的生成，揭示了C-N偶联过程中的关键步骤。
图4：DFT计算分析展示了Cu(100)-Cu₂O(100)异质界面的自由能变化，部分态密度（PDOS）表明该界面降低了反应能垒，促进了CO和NOH等中间体的生成，从而加速C-N偶联反应，提升尿素合成效率。
图5：双电极流动电池系统示意图及电化学性能数据展示了Cu/Cu₂O纳米线催化剂在尿素和甲酸合成中的高效性。LSV曲线显示该系统在低电压下达到高电流密度，不同电流密度下的尿素和甲酸产率均显著提高，且长时间运行中保持良好稳定性，展现出工业应用潜力。
展望
本研究通过Cu/Cu₂O异质整流界面催化剂的设计与优化，实现了低电位、高选择性、高效率的尿素电合成。该成果为绿色、可持续的尿素生产提供了新方向，并具有广泛的工业应用潜力。
文献信息
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202413534
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202413534
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