打破校史！106页PDF回复审稿质疑！兰州交通大学，第一单位校史首篇Nature子刊诞生！硕士生一作

来源：微算云平台

第一作者：孙泽毅

通讯作者：褚克，冯利邦，刘熙俊

通讯单位：兰州交通大学、广西大学

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63923-z

研究背景

尿素是肥料和化学品中重要的氮载体。其传统尿素生产主要依赖于Bosch-Meiser工艺，该过程不仅需要苛刻的条件，更消耗了全球约2%的能源，并导致严重的环境负担。N2与CO2的电催化协同还原为可持续尿素生产提供了一条有前景的途径，但其实际可行性受到强N≡N键(941 kJ mol-1）和超低N2溶解度的阻碍，导致尿素法拉第效率（FEurea）普遍较低。与N2相比，NOx-具有较弱的N=O键(204 kJ mol-1）和更好的水溶性，使其成为尿素电合成中理想的替代氮源。然而，NOx- 原料主要依赖高碳排放的奥斯特瓦尔德工艺，从而影响了电催化合成的可持续性和脱碳性。因此，迫切需要开发一种替代技术，能够在可持续且低能耗的条件下实现大规模尿素生产，成为当前研究的重点。

图文导读

近日，兰州交通大学材料学院褚克教授团队在《Nature Communications》发表了题为" Plasma-electrocatalytic synthesis of urea from air and CO2"的研究论文。该研究创新性地开发了一种等离子体活化-电催化共驱动尿素电合成新路径，通过等离子体辅助空气活化产生NOx-，随后在双室膜电极组件中使用单原子Ru1/CuOx催化剂实现CO2与NOx-的共电还原，尿素产率最高达106.9 mmol h-1gcat-1，法拉第效率为86.7%，且在200小时连续运行中表现出优异稳定性。该工艺无需依赖化石燃料原料并且碳排放显著低于传统工艺，为绿色、低碳的尿素合成提供新的设计思路和实验理论依据，对推动可持续农业和氮经济转型具有重要意义。

值得注意的是，从Peer review文件可以看到，该研究工作在投稿阶段经历了多轮严谨的学术评议。例如，审稿人2认为反应路径有关键缺陷需澄清。强调尿素浓度测定方法可能受溶液pH、金属离子和氨浓度干扰而不可靠，需提供更扎实的证据验证定量准确性。

而审稿人4对研究的创新性、方法学严谨性和机制阐释深度提出了关键性质疑。例如，等离子体放电的稳定性与重复性证据不充分，仅展示5分钟至2小时的短时颜色变化和1小时循环测试，缺乏长期连续运行数据，且未提供等离子体系统的关键参数。以及，等离子体-电催化路径的能耗未被纳入性能对比，直接与纯电催化路径比较有失公平等。

为回应质疑，作者以 106 页 PDF 呈现了大量补充实验与数据分析，对争议点逐一解答。文章在经过多轮审稿后，最终被顺利接收并发表。例如，为验证等离子体稳定性，补充了20次循环及100小时连续放电数据，显示NOx产率仅有微小的变化，并通过质谱直接检测到NO/NO2生成。能耗方面新增全面的分析，表明等离子-电催化路径总能耗73.1 MJ/kg尿素，虽高于传统工艺，但采用可再生能源时其碳排放大幅度降低。此外，方法学上采用13C/15N同位素标记与1H NMR/UV-vis交叉验证尿素定量准确性，并增设Fe1/CuOx、Ni1/CuOx对照实验证明Ru单原子不可替代性等。

图文解析

图1. pAA-eNCU路径研究。(a) 等离子体电催化（pAA-eNCU）路径示意图。(b) 等离子体放电照片。(c) 放电时间对生成的NOx-（NO2-/NO3-）浓度及NO2-选择性的影响。(d) 本方法与文献报道的pAA衍生NOx-性能对比。

图2. Ru1/CuOx催化剂表征。(a) Ru1/CuOx合成过程示意图。(b-e) Ru1/CuOx表征结果：(b) 透射电子显微镜图像及高分辨透射电子显微镜图像（插图），(c) AC-HAADF-STEM图像及对应的(d)三维强度分布曲线与原子强度线扫描，(e)元素映射图像。(f) Ru K边XANES谱，(g) EXAFS谱及(h) WT谱分析结果。

图3. Ru1/CuOx在双腔膜电极组件电池中的电化学性能。(a) DCMEA电池示意图。(b) 不同电池中Ru1/CuOx的线性扫描伏安曲线。(c) DCMEA电池中Ru1/CuOx在不同电位下的尿素产率及法拉第效率。(d) Ru1/CuOx上各类产物的法拉第效率。(e) Ru1/CuOx在-0.6 V下经200小时恒电位扫描测试及不同时间点的尿素产率与法拉第效率。(f) Ru1/CuOx与已报道催化剂的eNCU性能对比。误差条表示三个独立样本的标准偏差。

图4. eNCU 的机理研究。(a) *NO2与*CO2在Ru1/CuOx不同位点上的吸附自由能。(b) Cu-OV位点上*CO2的电荷密度图。(c-e) 自由能图：(c) CO2→*CO，(d) NO2-→*NH2路径及 (e) Cu-OV与Ru1-OV位点上*CO与*NH2的C-N耦合反应。(f-g) eNCU电解过程中不同电位下 (f) Ru1/CuOx与 (g) CuOx的原位FTIR光谱。(h) eNCU电解过程中不同电位下Ru1/CuOx的原位拉曼光谱。

图5. eNCU的催化机制和经济性评估。(a) Ru1/CuOx表面eNCU催化机制示意图。(b) pAA-eNCU路径的成本估算。(c) pAA-eNCU路径在0.3 A/cm-2条件下尿素生产的TEA值。

总结与展望

本研究所开发的等离子体-电催化协同路线，为绿色、可持续的尿素合成开辟了新途径。这项工作创新性地融合等离子体技术与电催化还原反应，并设计出具有双活性位点的单原子催化剂，实现了高效协同催化。该技术突破了传统工艺对化石燃料的依赖及高能耗、高排放的瓶颈，在绿色化工、可持续农业以及可再生能源等领域具有重要应用价值。

文章信息

Zeyi Sun, Rui Niu, Shiyao Shang, Yali Guo, Hu Zhang, Xijun Liu*, Libang Feng*, Ke Chu*, Plasma-electrocatalytic synthesis of urea from air and CO2, Nature Communications 2025, 16: 8837. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63923-z

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