在碳缺陷限定的层间FeCl3簇中实现空间匹配的C-N耦合，以高效进行尿素电合成

《Advanced Materials》：Spatially Matched C–N Coupling within Carbon Defect Confined Interlayer Fe Clusters for Efficient Urea Electrosynthesis

通过碳缺陷约束策略构建层间匹配Fe原子簇，显著提升尿素电合成效率。该催化剂Faradaic效率达39.80%，生产速率3643.65 mmol h?1 gFe?1，较对照组提高7.98和9.88倍。原位FTIR和DFT分析表明，层间Fe原子簇促进CO吸附并降低NH?OH脱水能垒，碳缺陷加速水解动力学，促进C-N耦合，为设计空间匹配活性位点催化剂提供新范式。

　　

摘要

为实现二氧化碳（CO₂）和硝酸根离子（NO₃^?）的同步活化与耦合，并将其应用于尿素电合成过程，设计具有空间匹配特性的多位点结构仍是一个重大挑战。本文通过在膨胀的2H-石墨碳材料中利用碳缺陷限制策略构建层间铁原子簇（Fe_acs），这些层间Fe_acs作为理想的纳米反应器，促进了碳氮（C─N）键的形成。该过程通过在H₂/Ar气氛下进行低流速热解时，对一系列级联反应（FeO_x还原、H₂/CO₂介导的碳蚀刻以及空位捕获）进行动力学调控来实现。结果表明，这种层间Fe_acs催化剂具有高达39.80%的尿素法拉第效率以及3643.65 mm h^?1 gFe^?1的产率，分别比未经改性的Fe颗粒（无层间结构）高出7.98倍和9.88倍。原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算进一步证实，空间匹配的层间Fe_acs结构有助于CO中间体的吸附，并降低了NH₂OH脱水的能量障碍；同时，碳缺陷促进了水的解离过程，加速了后续的氢化反应，从而增强了层间Fe_acs中的C─N键形成。这项工作为设计具有空间匹配活性位点的催化剂以实现可持续尿素合成提供了新的思路。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。