清华大学/北京大学/苏州大学，三校联手重磅Nature Catalysis！

第一作者：Haocheng Xiong，Peiping Yu

通讯作者：陆奇，徐冰君，程涛

通讯单位：清华大学，北京大学，苏州大学

陆奇，2016年2月正式加入清华大学化工系教师队伍。现为清华大学化工系副教授，主要从事碳中和、新能源化工相关的多相（电）催化研究工作，其中包括二氧化碳的资源化利用，烷烃的高效转化等。曾在Nature Catalysis、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、等高影响期刊上发表多篇学术论文。

徐冰君，北京大学化学与分子工程学院教授，致力于运用和发展原位表征技术在分子层面上阐明反应机理，以此指导新能源和绿色化学领域中催化材料和过程的设计。

程涛，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师，迄今为止共发表SCI论文 90余篇。部分文章发表在Science, Nat. Catal., Nat. Chem. Proc. Natl. Acad. Sci. USA、J. Am. Chem. Soc.、J. Phys. Chem. Lett.、Science等。

论文速览

将CO电化学转化为含有C-N键的化学物质提供了一种存储可再生电力和减少CO₂排放的有吸引力的途径，因为CO₂可以有效地转化为CO。本文提出了一种通过电催化氧化耦合CO与NH₃在商业Pt催化剂上合成尿素的新方法。

该方法展示了在大约70%的尿素选择性，并在广泛的电位窗口内保持50%以上，同时实现了高达100 mmol h^-1 g_catalyst^-1的电催化C-N键形成速率。

机理研究表明，Pt上的CO与NH₃的氧化耦合首先导致氰酸盐的形成，随后通过Wöhler反应生成尿素。这种方法为尿素生产提供了一条实用的高电子效率途径，通过Pt催化的CO与NH₃之间的反应实现。

图文导读

图1：尿素合成的催化剂筛选和产物确定。

图2：70 wt.%Pt/C上尿素合成的电催化性能。

图3：P_CO和[NH₃]的LSV测量和反应顺序。

图4：Pt表面在不同电位下的原位表面增强红外吸收光谱(SEIRAS)，以及¹²CO和¹³CO在0.9 V时的SEIRA光谱和0.1 M NaOCN的参考光谱。

图5：潜在的C-N偶联途径的密度泛函理论（DFT）计算。

总结展望

本文通过电催化氧化耦合CO与NH₃在Pt催化剂上成功合成了尿素，展示了高选择性和高电催化C-N键形成速率。通过电化学、原位光谱和计算研究，提出了CO与NH₃在Pt上的氧化耦合通过两个质子-电子转移（PCET）步骤形成(异)氰酸，随后通过中和反应形成氰酸盐，再与电解液中的NH₄⁺反应生成尿素。

该途径为将CO₂还原反应的主要产物CO转化为高价值尿素提供了一种高电子效率和低能耗的方法。从基础电催化研究的角度来看，本研究开发的电氧化耦合路径突出了在CO和NH₃存在下，Pt作为活性和选择性催化剂的机遇。结合全面的动力学分析和先进的超快原位光谱技术，预期将为复杂的电氧化C-N键形成过程提供更完整的理解。

文献信息

标题：Urea synthesis via electrocatalytic oxidative coupling of CO with NH₃ on Pt

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01173-w