兰州交大褚克Nature子刊: 等离子-电催化耦合将空气/CO₂合成尿素

第一作者：孙泽毅

通讯作者：褚克，冯利邦，刘熙俊

通讯单位：兰州交通大学、广西大学 

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63923-z

背景介绍

尿素是肥料和化学品中重要的氮载体。其传统尿素生产主要依赖于Bosch-Meiser工艺，该过程不仅需要苛刻的条件，更消耗了全球约2%的能源，并导致严重的环境负担。N₂与CO₂的电催化协同还原为可持续尿素生产提供了一条有前景的途径，但其实际可行性受到强N≡N键(941 kJ mol^-1）和超低N₂溶解度的阻碍，导致尿素法拉第效率（FE_urea）普遍较低。与N₂相比，NO_x^-具有较弱的N=O键(204 kJ mol^-1）和更好的水溶性，使其成为尿素电合成中理想的替代氮源。然而，NO_x^- 原料主要依赖高碳排放的奥斯特瓦尔德工艺，从而影响了电催化合成的可持续性和脱碳性。因此，迫切需要开发一种替代技术，能够在可持续且低能耗的条件下实现大规模尿素生产，成为当前研究的重点。

工作介绍

近日，兰州交通大学材料学院褚克教授团队在《Nature Communications》发表了题为" Plasma-electrocatalytic synthesis of urea from air and CO₂"的研究论文。该研究创新性地开发了一种等离子体活化-电催化共驱动尿素电合成新路径，通过等离子体辅助空气活化产生NO_x^-，随后在双室膜电极组件中使用单原子Ru₁/CuO_x催化剂实现CO₂与NO_x^-的共电还原，尿素产率最高达106.9 mmol h^-1g_cat^-1，法拉第效率为86.7%，且在200小时连续运行中表现出优异稳定性。该方法无需依赖化石燃料原料并且碳排放显著低于传统工艺，为绿色、低碳的尿素合成提供新的设计思路和实验理论依据，对推动可持续农业和氮经济转型具有重要意义。

图文解析

图1. pAA-eNCU路径研究。(a) 等离子体电催化（pAA-eNCU）路径示意图。(b) 等离子体放电照片。(c) 放电时间对生成的NO_x^-（NO₂^-/NO₃^-）浓度及NO₂^-选择性的影响。(d) 本方法与文献报道的pAA衍生NO_x^-性能对比。

图2. Ru₁/CuO_x催化剂表征。(a) Ru₁/CuO_x合成过程示意图。(b-e) Ru₁/CuO_x表征结果：(b) 透射电子显微镜图像及高分辨透射电子显微镜图像（插图），(c) AC-HAADF-STEM图像及对应的(d)三维强度分布曲线与原子强度线扫描，(e)元素映射图像。(f) Ru K边XANES谱，(g) EXAFS谱及(h) WT谱分析结果。

图3. Ru₁/CuO_x在双腔膜电极组件电池中的电化学性能。(a) DCMEA电池示意图。(b) 不同电池中Ru₁/CuO_x的线性扫描伏安曲线。(c) DCMEA电池中Ru₁/CuO_x在不同电位下的尿素产率及法拉第效率。(d) Ru₁/CuO_x上各类产物的法拉第效率。(e) Ru₁/CuO_x在-0.6 V下经200小时恒电位扫描测试及不同时间点的尿素产率与法拉第效率。(f) Ru₁/CuO_x与已报道催化剂的eNCU性能对比。误差条表示三个独立样本的标准偏差。

图4. eNCU 的机理研究。(a) *NO₂与*CO₂在Ru₁/CuO_x不同位点上的吸附自由能。(b) Cu-OV位点上*CO₂的电荷密度图。(c-e) 自由能图：(c) CO₂→*CO，(d) NO₂^-→*NH₂路径及 (e) Cu-OV与Ru₁-OV位点上*CO与*NH₂的C-N耦合反应。(f-g) eNCU电解过程中不同电位下 (f) Ru₁/CuO_x与(g) CuO_x的原位FTIR光谱。(h) eNCU电解过程中不同电位下Ru₁/CuO_x的原位拉曼光谱。

图5. eNCU的催化机制和经济性评估。(a) Ru₁/CuO_x表面eNCU催化机制示意图。(b) pAA-eNCU路径的成本估算。(c) pAA-eNCU路径在0.3 A/cm^-2条件下尿素生产的TEA值。

文章信息

Zeyi Sun, Rui Niu, Shiyao Shang, Yali Guo, Hu Zhang, Xijun Liu*, Libang Feng*, Ke Chu*, Plasma-electrocatalytic synthesis of urea from air and CO₂, Nature Communications 2025, 16: 8837.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63923-z

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