尿素合成的“大变局”：西安交大团队，效率和选择性双突破！新发JACS！

西安交通大学欧鸿辉研究员、杨贵东教授团队开发出新型串联催化剂RP-AuCu，在电催化还原CO?和NO??合成尿素领域实现效率与选择性的双重突破，相关成果发表于2025年《Journal of the American Chemical Society》（JACS）。研究背景与挑战电催化还原CO?和NO??合成尿素是兼具环境效益与资源利用价值的理想反应，但其核心瓶颈在于C-N偶联过程。该过程涉及多电子和质子转移，而CO?还原中间体的不确定性会显著降低反应的选择性和活性。传统催化剂难以同时调控CO?活化中间体与C-N键形成，导致尿素产率和法拉第效率（FE）受限。核心创新：RP-AuCu串联催化剂设计团队提出一种基于红磷（RP）的双金属单原子串联催化剂（RP-AuCu），其关键创新点如下：双活性位点协同作用：在红磷载体上负载金（Au）和铜（Cu）两种单原子活性中心，形成兼容的催化位点。Au位点：促进CO?分子与红磷间的电子转移，调节CO?活化中间体生成亲电性*COOH。Cu位点：增强COOH对NH?的亲电攻击，选择性促进C-N键形成。结构表征验证：通过X射线吸收光谱（XAS）等手段证实Au和Cu以单原子形式均匀分散在红磷表面，且两者间距优化至纳米级，确保协同效应。图1：RP-AuCu催化剂的制备流程与微观结构表征性能突破：产率与效率双提升实验数据显示，RP-AuCu催化剂在-0.6 V（vs. RHE）条件下表现出优异性能：尿素产率：22.9 mmol gcat-1 h-1，较传统催化剂提升数倍。法拉第效率（FE）：88.5%，显著高于文献报道的同类体系（通常60%）。稳定性：连续运行100小时后性能无明显衰减，证明其工业应用潜力。图3：RP-AuCu与对照催化剂的尿素产率及法拉第效率对比机制解析：理论计算与原位光谱联合验证理论计算：密度泛函理论（DFT）模拟表明，Au位点通过降低CO?还原生成*COOH的能垒（ΔG=0.32 eV），而Cu位点将C-N偶联能垒从1.25 eV降至0.58 eV，实现选择性调控。原位光谱：原位红外（IR）和拉曼光谱捕捉到反应中间体COOH和NH?的动态演化，证实两者在Cu位点上的定向偶联。图5：DFT计算揭示的C-N偶联路径及能量变化学术意义与工业前景科学价值：首次揭示双金属单原子位点在C-N偶联中的“分工-协同”机制，为理解多中间体耦合反应提供新范式。技术突破：RP-AuCu催化剂的制备方法（如原子层沉积技术）可扩展至其他C-N化合物（如甲胺、氨基酸）的合成。应用潜力：该体系以CO?和NO??（废水中的常见污染物）为原料，符合“碳中和”与循环经济需求，有望推动尿素生产的绿色革命。研究团队与资助通讯作者：欧鸿辉研究员（西安交通大学）、杨贵东教授（西安交通大学化工学院院长，国家重点研发计划首席科学家）。第一作者：Chao Zhao博士。研究支持：国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等项目资助。参考文献：Zhao C., Jin Y., Yuan J. et al. Tailoring Activation Intermediates of CO? Initiates C-N Coupling for Highly Selective Urea Electrosynthesis. J. Am. Chem. Soc. (2025). DOI:10.1021/jacs.5c00583