陆奇/徐冰君/程涛，最新Nature Catalysis！

第一作者：Haocheng Xiong

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，浙江大学材料科学与工程本科，美国University of Delaware物理学博士，并在之后分别于University of Delaware和Columbia University化工系进行博士后工作。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。多项专利授权进行实际应用开发。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。学术成果曾被知名科学新闻媒体Science Daily、Chemistry Views、Materials View等进行专题报导。

徐冰君

2020 教授，北京大学化学与分子工程学院

2019 – 2020 Centennial Development讲席副教授 ， 美国特拉华大学化学与生物分子工程系

2013 – 2019 助理教授， 美国特拉华大学化学与生物分子工程系

2011 – 2013 博士后，美国加州理工学院 化工系

2011 物理化学理学博士 美国哈佛大学 化学系

2007 物理化学硕士 复旦大学 化学系

2004 理学学士 复旦大学 化学系

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。原创成果曾被选为J. Am. Chem. Soc.内封面插图文章，被J. Am. Chem. Soc. spotlight和 AIP等媒体予以亮点报道和专题评述。受邀担任30余个国际主流学术期刊审稿人。

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