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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!
时间:2026-01-06 01:16:33
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!
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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
时间:2026-01-06 01:16:40
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