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兰州交大AFM：Ru₁Co合金催化剂用于高效尿素电合成

邃瞳科学云

2024-11-30

导读：本文证明了高度分散的Ru原子被锚定在 Co 基底中可以作为一种高效稳定的UENC 催化剂。

第一作者：万雨莹

通讯作者：褚克、杨星

单位：兰州交通大学

研究背景

尿素（CO(NH₂)₂）是一种高含氮量（46%）的氮肥，在促进农作物快速生长方面起着重要作用，也是各种化学品生产的关键原料。目前，尿素工业生产采用Bosch-Meiser工艺，需要在高温（150 -200℃ ）和高压（150-250 bar）条件下反应，导致高能耗和污染气体的排放。因此，探索一种在环境条件下高效、可持续的尿素合成方法至关重要。研究表明，由可再生电力驱动的N₂和CO₂共电解可以在环境条件下有效地合成尿素。然而，N₂极低的水溶性和N≡N极高的解离能极大地限制了尿素法拉第效率（FE_尿素）和产率的进一步提升。相比于N₂，NO₃^-的高水溶性及N=O低解离能使得NO₃^-和CO₂共电解合成尿素（UENC）被认为是实现可持续和高效尿素生产的前瞻性技术。然而，由于NO₃^-和CO₂的C–N耦合的高活化能垒，UENC复杂质子耦合电子转移（PCET）过程以及竞争性析氢反应（HER），实现高效的UENC仍然具有极大的挑战性。因此，迫切需要开发高性能的UENC催化剂，降低NO₃^-和CO₂的C–N偶联的活化能垒，促进UENC的PCET过程，同时抑制竞争的HER。

单原子合金（SAAs）结合了单原子催化剂和合金催化剂的优点，在电催化领域有巨大的潜力。过渡金属基底上掺杂贵金属原子的SAAs广泛应用于各种C循环和N循环电催化反应，使SAAs具有UENC的广阔应用前景。对于UENC过程，需要生成*CO（CO₂电还原）和*NH₂（NO₃^-电还原）的关键中间体，然后生成的*CO和*NH₂进行C–N耦合形成尿素。因此，设计具有促进*CO/*NH₂形成和C–N偶联的双活性位点的催化剂是非常有必要的。Co催化剂可促进CO₂-*CO电还原，而Ru催化剂对NO₃^-电还原形成*NH₂具有高活性。受上述启发，Ru/Co基SAAs有望成为电催化NO₃^-/CO₂转化为尿素的高效催化剂。

工作介绍

近日，来自兰州交通大学材料学院的褚克教授和杨星博士在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Electrocatalytic Urea Production with Nitrate and CO₂ on a Ru-Dispersed Co Catalyst”的研究文章。文章证明了高度分散的Ru原子被锚定在 Co 基底中可以作为一种高效稳定的UENC 催化剂。通过理论计算和原位红外光谱实验测试，揭示了 Ru₁ 和 Co 位点的协同作用通过串联催化机制促进了UENC过程。Ru₁ 位点促进 NO₃^- 的吸附和加氢生成 *NH₂，而 Co 位点促进 CO₂ 的吸附和加氢/脱氧生成*CO。生成的*CO从Co位点转移到附近的Ru₁位点，随后促进*NH₂和*CO的C-N偶联形成尿素。Ru₁Co组装在流动电解池中，获得了法拉第效率为50.1%，相应的尿素产率为22.34 mmol h^{−

1
g
−1}，优于大多数报道的UENC催化剂。

图文导读

图1. Ru₁Co的形貌和结构表征

图2. H型电解池中Ru₁Co的UENC性能测试

图3. Ru₁Co的UENC机制理论计算

图4. Ru₁Co的UENC性能原位红外光谱分析

图5.流动电解池中Ru₁Co的UENC性能测试

文章链接

Yuying Wan, Zhuoyan Zhang, Xiaomei Wang, Xing Yang*, Hu Zhang, and Ke Chu*. Electrocatalytic Urea Production with Nitrate and CO₂on a Ru-Dispersed Co Catalyst. Advanced Functional Materials.

https://doi.org/10.1002/adfm.202406438.

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