兰州交大ACS Nano：铑铜单原子合金接力催化硝酸盐和二氧化碳共电还原合成尿素

第一作者：相佳琪

通讯作者：褚克

单位：兰州交通大学

尿素是一种用途广泛的化学品，也是不可或缺的氮基肥料，在工农业发展中发挥着至关重要的作用。目前尿素是在高温高压条件下通过Haber−Bosch和Bosch−Meiser两步法合成的，导致大量的能源消耗和温室气体排放。因此，迫切需要开发一种清洁的方法，在温和条件下可持续地合成尿素。N2与CO₂的共电解为在环境条件下进行尿素电合成提供了一条有吸引力的途径，而N₂/CO₂到尿素的效率受到强N≡N键（941 kJ mol⁻¹）的影响，解离N≡N键需要超高的离解能，并且易受诸多竞争反应的影响。另一方面，NOx物种（NO₃⁻/NO₂⁻/NO等）具有更多的活性N-O键，比N2具有更大的反应性，这使得NOx更适合作为尿素电合成的N原料。其中，NO₃⁻广泛分布在工业废水中，对环境造成严重危害。因此，NO₃⁻和CO₂共电解制尿素（UENC）是一种有前景的替代方案，可以有效减轻环境NO₃⁻污染，同时产生有价值的尿素。对于UENC工艺，需要产生*CO（CO₂→*CO）和*NH₂（NO₃⁻→*NH₂）的关键中间体，然后将产生的*CO和*NH₂进行C-N偶联以形成尿素。因此，必须寻找有效的催化剂来促进*CO/*NH₂的形成和C-N偶联。

近日，来自兰州交通大学的褚克教授团队在《ACS Nano》上发表了题为“Relay Catalysis of Isolated Rhodium-Alloyed Copper Boosts Urea Electrosynthesis from Nitrate and CO₂”的研究文章。文章证明了 Rh₁ 单原子被锚定 Cu 基底中可以作为一种高效稳定的 UENC 催化剂。结合原位光谱分析和理论计算揭示了 Rh₁位点和 Cu 位点的接力催化作用，其中 Rh₁位点激活 NO₃⁻ 形成 *NH₂，而 Cu 位点激活 CO₂ 形成 *CO 。形成的 *CO 然后从 Cu 基底迁移到临近的 Rh₁位点，这促进了 *NH₂和 *CO 的 C-N 偶联而形成尿素。Rh₁Cu 在流动池中表现出优异的 UENC 性能，在 -0.6 V 下尿素产率达到了 50.36 mmol h⁻¹ g⁻¹，尿素法拉第效率达到了67.10%，优于绝大部分报道的UENC 催化剂

Jiaqi Xiang, Chaofan Qiang, Shiyao Shang, Yali Guo, Ke Chu*. Relay Catalysis of Isolated Rhodium-Alloyed Copper Boosts Urea Electrosynthesis from Nitrate and CO₂. ACS Nano.