西华大学江明航博士、南京大学金钟教授，ACS Nano：电催化二氧化碳和含氮物质共还原合成尿素研究进展

第一作者：江明航

通讯作者：江明航*，金钟*

单位：西华大学，南京大学

尿素不仅是农作物生长过程中最重要的氮肥，也是生产重要化工产品（例如脲-三聚氰胺-甲醛树脂，脲甲醛和巴比妥酸盐等）的关键化学原料。目前，传统的尿素合成工艺存在反应条件苛刻，环境污染以及对设备要求高等问题。因此，亟待研发反应条件温和，绿色可持续的尿素合成技术以替代传统的两步法合成尿素工艺。

通过电化学路径将环境中的温室气体CO₂和含氮物质共还原为具有更高附加值的尿素，对实现碳中和、碳/氮循环利用、间歇式能源有效存储以及缓解环境污染等问题具有重要意义。尽管越来越多的研究在电化学尿素合成方面取得了一些突破，但其尿素产率低、法拉第效率不理想、C-N耦合反应机理不明析等问题仍然是其大规模实际应用的主要障碍。

基于此，来自西华大学的江明航博士与南京大学的金钟教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Review on Electrocatalytic Coreduction of Carbon Dioxide and Nitrogenous Species for Urea Synthesis”的观点文章。该观点文章回顾了电催化CO₂和不同含氮物质共还原合成尿素的发展历程。分析和总结了电催化合成尿素催化剂设计策略以及电催化C-N耦合反应机理等，并就现阶段电催化合成尿素领域亟待克服的难题以及相应解决策略进行了讨论。

图1. 电催化合成尿素反应路径图

图2. 电催化合成尿素发展历程以及现已开发催化剂的类型图

由于同一金属材料对两种不同的反应物种(含碳和含氮物种)的还原效率很难同时达到最优。因此，设计双金属中心催化剂可能是一种通过不同金属催化位点之间的协同效应来提高性能的有效途径。因此，构建表面缺陷、金属合金，金属纳米异质结、杂原子掺杂、双或多金属单原子催化剂等是优化电催化合成尿素性能的有效方法。

要点二：抑制析氢反应（HER）的有效策略

目前，电催化合成尿素反应大多在水溶液中进行，水溶液中存在激烈的HER极大程度限制了电催化合成尿素的活性和选择性。筛选合适的电解液可能是显著提高尿素产率和法拉第效率（FEUrea）的有效策略。例如通过使用一些高浓度盐溶液或对气体反应物分子（如CO₂和N₂）具有高溶解度的离子液体作为电解质溶液，或许能有效增加活性氢的利用率，进而提高电催化合成尿素产率和选择性。

要点三：反应装置有待优化

目前，电催化合成尿素反应一般是在H型电解池中进行测试。然而，对于CO₂、和N₂等气体反应物质，只有扩散至工作电极附近的气体分子才能参与电化学还原反应。由于气体反应分子溶解度有限，动力学过程缓慢，故还原电流密度通常不理想。配备有气体-扩散电极的流动池被认为是气-固界面催化反应的最佳场所。气体扩散电极使气体反应分子与催化剂表面有了充分的接触，能有效地提高包括CO₂和N₂在内的气体反应分子的溶解度和扩散速率，从而增强电化学尿素合成过程。因此，建议在电催化合成尿素的反应中采用流池法进行测试。

要点四：电催化C-N耦合反应机理有待明晰

明晰的电化学合成尿素反应机理对后续高效电催化剂的设计具有重要指导意义。然而，电化学尿素合成领域的反应机理至今仍存在争议，许多具体反应路径仍不清晰。目前电催化合成尿素反应机理主要通过原位光谱表征技术以及理论计算等方法进行研究。

然而，原位光谱表征仅能捕捉到有限几种中间体的信号，在具体的反应路径探究中较难发挥出最佳效果。采用先进的原位同位素标记表征技术并结合对照实验以及理论模拟计算以研究反应中间体的生成和转化过程，或许是研究电催化合成尿素反应机理的有效方法。

Review on Electrocatalytic Coreduction of Carbon Dioxide and Nitrogenous Species for Urea Synthesis

江明航博士简介：2022年6月获南京大学理学博士学位，主要从事电催化合成氨和电催化二氧化碳还原的研究，师从金钟教授。2022年7月-至今，西华大学理学院讲师。

主持四川省自然科学基金青年项目1项；已在国际学术期刊发表SCI论文20余篇，其中以第一作者身份在Nano Letters（IF=12.262，3篇），ACS Nano（IF=18.027，1篇），Environmental Science & Technology（IF=11.357，1篇），Chemistry of Materials（IF=10.508，1篇），ACS Applied Materials & Interfaces（IF=10.383，1篇），Electrochimica Acta（IF=7.336，2篇）期刊上共发表论文9篇，以共同第一作者身份在Nano Letters期刊上发表论文1篇，以共同通讯作者身份在International Journal of Hydrogen Energy期刊上发表论文1篇。

金钟教授简介：南京大学化学化工学院教授、博士生导师、南京大学天长新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学化学与分子工程学院学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院进行博士后研究。2014年起任教于南京大学，先后入选了国家海外高层次人才引进计划青年项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金、科技部创新人才推进计划、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才。

目前担任江苏省化学化工学会青年工作委员会主任委员、江苏省能源研究会储能专委会委员、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、学术期刊《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》、《Journal of Electrochemistry》和《SmartMat》青年编委等学术任职。主要研究领域是能源化学和材料化学，包括：清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用。

已在Nature Chem.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>220篇，他引>15000次，H因子>62。主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项青年科学家专题项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、JW科技委GF科技创新特区项目（4项）、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金等科研项目。

主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项青年科学家专题项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、JW科技委GF科技创新特区项目（4项）、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金等科研项目。获得了2021年国家自然科学奖二等奖(5/5)、科睿唯安全球高被引科学家、江苏省科学技术奖三等奖(1/7)、科思奖教金、南京大学魅力导师奖、2020年华为“紫金学者”人才基金、南京大学缪炳文教书育人优秀奖、首届南京大学“励行杯”全球校友创新创业大赛总决赛一等奖、2019年南京大学本科优秀毕业论文特等奖指导教师、2018年教育部自然科学一等奖(4/7)、江苏省教育教学与研究成果二等奖(1/5)、南京市中青年拔尖人才、2017年教育部高校优秀科研成果奖一等奖(4/7)、江苏省首届创新争先奖状、江苏省双创人才、南京大学首届“双创之星”荣誉称号、2016年江苏省“六大人才高峰”高层次人才、入选全国“大众创业万众创新活动周”核心展区、2015年南京市领军型科创人才等奖励和荣誉。

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