全文概要

湖南大学陈晨与王双印研究团队报道了一种基于非晶CuOₓ包覆晶体Cu纳米线的杂化电催化剂，通过创新的电化学-化学循环机制，实现了创纪录的尿素合成速率（0.89 mol h⁻¹ g⁻¹）。该催化剂在CO₂和NO₃⁻共电解体系中表现出优异的选择性与稳定性，法拉第效率达45.4%。研究揭示了独特的催化循环路径：电还原生成Cu⁰与氧空位（Oᵥ）→ Oᵥ介导的NO₃⁻活化生成氮键结合的NO₂中间体并自发氧化Cu⁰为Cu⁺ → Cu⁺催化NO₂与CO₂发生C–N偶联生成尿素。该路径绕过了传统NO₃⁻还原为NO₂⁻的速率控制步骤，将电子转移数从16e⁻降至12e⁻，显著提升能效。

本文要点

1. 结构设计： 通过Ni离子调控合成具有可调非晶层厚度（0–8 nm）的Cu@CuOₓ核壳纳米线，C–Cu–A₄（4 nm非晶层）性能最优。

2. 催化性能： 在–1.2 V vs. RHE下，尿素产率达0.89 mol h⁻¹ g⁻¹，法拉第效率45.4%，能量效率15.2%，且具备优异循环稳定性。

3. 机制解析： EPR与SR-FTIR证实氧空位参与NO₃⁻活化，形成氮键NO₂中间体；DFT计算显示非晶层增强CO/*NO吸附，降低C–N耦合能垒。

4. 路径创新： 提出“电化学-化学循环”机制，实现Cu⁰/Cu⁺动态循环与氧原子转移，颠覆传统NO₂⁻为优氮源的认知，凸显NO₃⁻直接活化的高效性。

5. 应用前景： 为绿色尿素合成提供新策略，推动CO₂与含氮污染物共转化技术的发展。

文献详情

Zhong Cheng, Xiaodeng Wang, Dafeng Yan, et al. Achieving Record-Breaking Urea Synthesis on Crystalline–Amorphous Hybrid via Electrochemical–Chemical Looping, J. Am. Chem. Soc. (2025)

DOI: 10.1021/jacs.5c13721

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https://doi.org/10.1021/jacs.5c13721