電化學(xué)CO2和NO3?共還原是一種綠色且可持續(xù)的尿素生產(chǎn)策略。然而，尿素電合成仍然面臨著與低產(chǎn)率和低法拉第效率的相關(guān)挑戰(zhàn)。這主要是因為反應(yīng)途徑復(fù)雜，包括16個電子轉(zhuǎn)移，以及CO2和NO3?難以共活化以生成用于C-N偶聯(lián)的*CO和*NH2。此外，CO2RR比NO3RR更難觸發(fā)，導(dǎo)致還原動力學(xué)不匹配。*C-N和*NH2的空間分布對C-N耦合效率有顯著影響。如果*CO和*NH2分離廣泛，它們需要克服高能壘來進行遷移和實現(xiàn)C-N耦合。因此，通過在催化劑界面上整合CO2RR和NO3RR活性位點，且雙位點的位置足夠近，可以有效地促進后續(xù)的C-N耦合過程。
近日，悉尼科技大學(xué)汪國秀、伍倫貢大學(xué)王娜娜和杭州師范大學(xué)高鵬等選擇具有CO2RR活性的Ag和NO3RR活性的摻雜Cu的層狀α-Ni(OH)2來構(gòu)建金屬/氫氧化物界面(Ag-CuNi(OH)2)，其能夠級聯(lián)CO2RR和NO3RR有效生產(chǎn)尿素。實驗結(jié)果表明，Ag-CuNi(OH)2催化劑在?0.5 V下的尿素生產(chǎn)速率為25.6 mmol gcat.–1 h–1，法拉第效率為46.1%；在所有應(yīng)用電位中，NH3、H2和CO的法拉第效率均始終低于10%，表明其有效抑制了NO3RR和CO2RR半反應(yīng)和競爭性HER反應(yīng)。此外，Ag-CuNi(OH)2在30個重復(fù)循環(huán)(60小時)中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，且穩(wěn)定性實驗后沒有發(fā)生Ag的氧化和Cu2+的還原。原位光譜表征和理論計算表明，強耦合的金屬/氫氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面整合了NO3RR和CO2RR位點，其中在Ag表面有利于打破界面水的H-OH鍵，產(chǎn)生更多的活性氫原子，從而促進*CO的形成；CuNi(OH)2超薄納米片加速了*NH2的形成動力學(xué)，并且促進了相鄰的*CO和*NH2的偶聯(lián)，使得高選擇性尿素生成。總的來說，該項工作通過在界面上設(shè)計C-N偶聯(lián)的雙位點實現(xiàn)了尿素的有效合成，這為設(shè)計和開發(fā)高效的CO2和NO3?共還原催化劑提供了參考范例。A strongly coupled metal/hydroxide heterostructure cascades carbon dioxide and nitrate reduction reactions toward efficient urea electrosynthesis. Angewandte Chemie International Edition, 2024. DOI: 10.1002/anie.202410105
