广东
第一作者：Chen Xiangyu，Lv Shuning，Gu Hongfei
通讯作者：康建新副教授，刘利民教授，郭林教授
通讯单位：北京航空航天大学化学学院，北京航空航天大学物理学院
论文DOI：10.1021/jacs.4c03156
论文速览
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Bosch-Meiser法合成尿素技术。如果能够使用电化学的方法将有害的小分子（NO3-和CO2）通过C-N耦合过程，将可能实现水中尿素的直接电化学合成。在以CO2为原料的电催化尿素合成中，通常需要将CO2转化成*CO，以其作为关键中间体进行C-N耦合，但是在这一过程中还会发生CO2转化为HCOOH和CO的副反应导致尿素合成的碳选择性较低。
北京航空航天大学的郭林教授和刘利民教授课题组利用非晶氧化铋锡纳米片作为电催化剂成功实现了CO2和NO3-为原料的高效尿素合成。提出利用Sn的掺杂有效的调控了催化剂的p轨道电子态，实现了基于*CO2而不是传统的*CO为关键中间体的C-N耦合过程。相较于高氧化态的晶体催化剂来说，非晶催化剂中低氧化态的Bi和Sn对反应物的吸附能力适中，更适合高效的尿素合成反应。该策略为设计C-N类高附加值产物的电化学合成提供了思路，同时也为二氧化碳的回收再利用提供借鉴。
图文导读
图1 非晶氧化铋锡/rGO纳米片复合催化剂的制备
图2 非晶氧化铋锡/rGO纳米片复合催化剂的电化学尿素合成性能评估
图3 非晶氧化铋锡/rGO纳米片复合催化剂的原位拉曼测试及催化路径解析
图4 原位XAS揭示非晶催化剂与对应的晶体催化剂在电催化尿素合成中的优势
总结与展望
本工作制备了非晶氧化铋锡纳米片电催化剂，优化了以NO 3- 和CO 2 为原料合成尿素过程中C-N偶联的反应路径。在非晶BiO x 中原子级复合非晶SnO y 增强对CO 2 的吸附和活化，实现了基于*CO 2 而不是传统的*CO为关键中间体的C-N偶联途径，实现了高效的C-N偶联过程，最终获得了78.36%的高尿素合成法拉第效率。该项研究为进一步开发用于需要C-N耦合的多电子、多步骤反应的高效催化剂提供了一种可借鉴的新思路。
文献详情：
Amorphous Bismuth–Tin Oxide Nanosheets with Optimized C–N Coupling for Efficient Urea Synthesis
Xiangyu Chen, Shuning Lv, Hongfei Gu, Hanke Cui, Gui Liu, Yifei Liu, Zhaoyu Li, Ziyan Xu, Jianxin Kang*, Gilberto Teobaldi, Li-Min Liu*, and Lin Guo*
J. Am. Chem. Soc. 2024,
https://doi.org/10.1021/jacs.4c03156
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