研究内容

将二氧化碳（CO 2 ）和硝酸根离子（NO 3 - ）转化为尿素为氮肥生产和环境修复提供了一条有吸引力的途径。然而，在温和的条件下实现这一转变仍然具有挑战性。

清华大学段昊泓/赣南师范大学徐思民报道了一种通过在Cu 2 O光电阴极上共还原二氧化碳和硝酸根离子来合成尿素的有效光电化学方法，在低外电势（-0.017 V vs RHE）下，尿素的形成率为29.71±2.20 μmol g -1 h -1 ，法拉第效率（FE）为12.90±1.15%。相关工作以“Photoelectrocatalytic Synthesis of Urea from Carbon Dioxide and Nitrate over a Cu2O Photocathode”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者报道了一种在氧化亚铜（Cu 2 O）光电阴极上由CO 2 和NO 3 - 合成尿素的有效PEC策略，在-0.017 V vs RHE的低外部偏压下，实现了29.71±2.20 μmol g -1 h -1 的尿素形成率和12.90±1.15%的FE。

要点2.Cu 2 O表现出立方形态并暴露出（100）面，具有合适的导带（CB）位置（约为-1.1 V vs SHE）共同还原CO 2 和NO 3 - 。原位傅立叶变换红外光谱（FTIR）和光辅助在线差分电化学质谱（DEMS）表明，CO*和NO 2 *是随后C-N偶联的关键中间体。

要点3.密度泛函理论（DFT）计算表明，尿素合成过程中的第一次C-N耦合发生在CO*和NO 2 *之间，这是速率决定步骤（RDS），第二次C-N耦合发生在CO-NH*和NO 2 *之间。

这项工作表明，Cu2O是一种在低外电势的光照下驱动CO2和NO3 -共还原为尿素的有效催化剂，显示了光电催化作为增值化学合成的可持续工具的巨大机遇。

研究图文

图1. 尿素合成路线。

图2. Cu 2 O在PEC尿素合成中的催化性能及表征。

图3. PEC尿素合成过程中反应中间体和反应途径的研究。

图4. 在反应条件下（-0.017 V vs.RHE，在光照下），Cu 2 O（100）面上将CO 2 和NO 3 - PEC共还原为尿素的反应机理的理论研究。外循环显示了所提出的路径，其中基本步骤用蓝色数字标记。反应物、中间体、过渡态和产物的优化几何形状显示在底部，颜色代码显示。插图：反应条件下对应的吉布斯自由能图（-0.017 V vs. RHE），突出显示了活化势垒和RDS。

文献详情

Photoelectrocatalytic Synthesis of Urea from Carbon Dioxide and Nitrate over a Cu 2 O Photocathode

Min Li, Qiujin Shi, Zhenhua Li, Ming Xu, Shixin Yu, Ye Wang, Si-Min Xu,* Haohong Duan*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202406515

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