第一作者：Haocheng Xiong，Peiping Yu

通訊作者：陸奇，徐冰君，程濤

通訊單位：清華大學，北京大學，蘇州大學

陸奇，2016年2月正式加入清華大學化工系教師隊伍。現(xiàn)為清華大學化工系副教授，主要從事碳中和、新能源化工相關的多相（電）催化研究工作，其中包括二氧化碳的資源化利用，烷烴的高效轉化等。曾在Nature Catalysis、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、等高影響期刊上發(fā)表多篇學術論文。

徐冰君，北京大學化學與分子工程學院教授，致力于運用和發(fā)展原位表征技術在分子層面上闡明反應機理，以此指導新能源和綠色化學領域中催化材料和過程的設計。

程濤，蘇州大學功能納米與軟物質研究院教授，博士生導師，迄今為止共發(fā)表SCI論文 90余篇。部分文章發(fā)表在Science, Nat. Catal., Nat. Chem. Proc. Natl. Acad. Sci. USA、J. Am. Chem. Soc.、J. Phys. Chem. Lett.、Science等。

論文速覽

將CO電化學轉化為含有C-N鍵的化學物質提供了一種存儲可再生電力和減少CO₂排放的有吸引力的途徑，因為CO₂可以有效地轉化為CO。本文提出了一種通過電催化氧化耦合CO與NH₃在商業(yè)Pt催化劑上合成尿素的新方法。

該方法展示了在大約70%的尿素選擇性，并在廣泛的電位窗口內保持50%以上，同時實現(xiàn)了高達100 mmol h^-1 g_catalyst^-1的電催化C-N鍵形成速率。

機理研究表明，Pt上的CO與NH₃的氧化耦合首先導致氰酸鹽的形成，隨后通過W?hler反應生成尿素。這種方法為尿素生產提供了一條實用的高電子效率途徑，通過Pt催化的CO與NH₃之間的反應實現(xiàn)。

圖文導讀

圖1：尿素合成的催化劑篩選和產物確定。

圖2：70 wt.%Pt/C上尿素合成的電催化性能。

圖3：P_CO和[NH₃]的LSV測量和反應順序。

圖4：Pt表面在不同電位下的原位表面增強紅外吸收光譜(SEIRAS)，以及¹²CO和¹³CO在0.9 V時的SEIRA光譜和0.1 M NaOCN的參考光譜。

圖5：潛在的C-N偶聯(lián)途徑的密度泛函理論（DFT）計算。

總結展望

本文通過電催化氧化耦合CO與NH₃在Pt催化劑上成功合成了尿素，展示了高選擇性和高電催化C-N鍵形成速率。通過電化學、原位光譜和計算研究，提出了CO與NH₃在Pt上的氧化耦合通過兩個質子-電子轉移（PCET）步驟形成(異)氰酸，隨后通過中和反應形成氰酸鹽，再與電解液中的NH₄⁺反應生成尿素。

該途徑為將CO₂還原反應的主要產物CO轉化為高價值尿素提供了一種高電子效率和低能耗的方法。從基礎電催化研究的角度來看，本研究開發(fā)的電氧化耦合路徑突出了在CO和NH₃存在下，Pt作為活性和選擇性催化劑的機遇。結合全面的動力學分析和先進的超快原位光譜技術，預期將為復雜的電氧化C-N鍵形成過程提供更完整的理解。

文獻信息

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

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01173-w