研究概述

電催化二氧化碳（CO2）和硝酸鹽（NO3-）的C-N偶聯(lián)為傳統(tǒng)的能源密集型尿素合成方案提供了可持續(xù)的替代方案，從而實(shí)現(xiàn)廢物升級(jí)和增值產(chǎn)品合成。高效穩(wěn)定的電催化劑的設(shè)計(jì)，對(duì)促進(jìn)電催化尿素合成的發(fā)展至關(guān)重要。

基于此，2024年10月14日，湖南大學(xué)王雙印教授、陳晨副教授、陳大偉博士在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications發(fā)表題為《Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst》的研究論文。

在這項(xiàng)工作中，銅酞菁（CuPc）因其精確且可調(diào)節(jié)的活性構(gòu)型而被用作尿素合成的模擬催化劑。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論研究，可以觀察到通過(guò)氨基取代（CuPc-Amino）優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)分子內(nèi)Cu-N配位，有效抑制電化學(xué)誘導(dǎo)的脫金屬作用，這是其優(yōu)異活性和穩(wěn)定性的來(lái)源。

與CuPc（最大尿素產(chǎn)率為39.9±1.9?mmol?h-1 g-1，在10次測(cè)試循環(huán)中衰減67.4%）相比，CuPc-Amino的尿素產(chǎn)率高達(dá)103.1±5.3?mmol?h-1 g-1，具有顯著的催化效果和耐用性。

作者通過(guò)同位素標(biāo)記、operando電化學(xué)光譜測(cè)量以揭示反應(yīng)機(jī)制和驗(yàn)證C-N偶聯(lián)過(guò)程。

本工作為尿素合成分子電催化劑的合理設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特的方案。

圖文解讀

圖1：電催化劑的物理表征

圖2：電催化合成尿素的性能

圖3：電催化合成尿素活性和穩(wěn)定性的來(lái)源

文獻(xiàn)信息

Li, H., Xu, L., Bo, S. et al. Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst. Nat. Commun. 15, 8858 (2024).