导读

近日，北京航空航天大学郭林教授团队在非晶纳米材料电催化合成尿素反应研究中取得了重要进展，在国际科学界权威期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of United States of America，简称PNAS）发表了题为“Efficient C–N coupling in the direct synthesis of urea from CO2 and N2 by amorphous SbxBi1-xOy clusters”（PNAS, 2023, 120, e2306841120）的研究成果。

基于高效绿色的电化学策略生产高附加值化学品被认为是可能代替传统的化石燃料生产技术的理想方法。尿素是养活世界上一半以上人口的重要农业肥料，并且也是工业生产中必不可少的反应原料。然而其制备工艺目前主要依靠高耗能高污染的Haber-Bosch法合成氨技术和Bosch-Meiser法合成尿素技术。如果使用电化学的方法同时固定N2和CO2，通过C-N偶联，可以实现水中尿素的直接电化学合成，上述问题将得到解决。然而，传统Bi基催化材料在CO2还原反应中更倾向生成单碳产物HCOOH，而不是尿素合成的关键中间产物*CO。在此基础上，能否通过调制Bi的p轨道来改变CO2还原的反应路径，获得更多的*CO用以C-N耦合合成尿素呢？

北航郭林教授课题组制备了一种非晶SbxBi1-xOy团簇作为电催化剂成功实现了CO2和N2的高效C-N偶联合成尿素。提出利用Sb的掺杂实现了对Bi p轨道的有效调制，使得高活性的Bi(II)位点能够有效地将电子注入至N2，并且进一步优化了限速步骤中间产物的对称性来促进C-N偶联过程。该策略为设计高性能气体还原型催化剂材料提供了思路，同时也为二氧化碳回收为高附加值化学品提供借鉴。

Sb的掺杂对非晶BiOx催化剂中在电化学二氧化碳还原反应中的路径影响

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2306841120