一种同核钌双原子催化剂通过双位点-单位点协同作用实现了高效的尿素电合成

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：A Homonuclear Ruthenium Dual-Atom Catalyst Enables Efficient Urea Electrosynthesis via Dual Site–Single Site Synergy

高效电催化尿素合成新策略及机理研究，提出Ru?N?–C双原子催化剂，通过单/双位点协同作用实现CO?和NO??高效转化，关键中间体*ONCO的发现及反应路径解析，双电极体系实现78.37%法拉第效率和102.31 mmol h?1 g?1产率，并实现工业化生产。

　　

利用二氧化碳（CO₂）和硝酸根离子（NO₃^–）通过电催化方法合成尿素（EUCN）为传统工艺提供了一种可持续的替代方案，但该技术仍面临碳氮（C–N）偶联效率低以及质子耦合电子转移过程缓慢的挑战。本研究开发了一种由Ru₂N₆–C组成的均核双原子催化剂，其中包含69.2%的双Ru位点和23.6%的单Ru位点，以实现高效的尿素合成。操作光谱学和质谱分析表明*ONCO*是关键的碳氮中间体，Ru₂N₆–C催化的反应路径为NO₃^–/CO₂ → *NO/*CO → *ONCO → *ONCONO → 尿素。进一步的理论计算揭示了单Ru位点在促进CO₂转化为*CO*过程中的关键作用，而双Ru位点则在三个方面发挥作用：推动NO₃^–转化为*NO*、促进首次/第二次碳氮偶联反应以及加速尿素合成的质子化过程。此外，通过将阴极侧的EUCN反应与阳极侧的甲醇氧化反应结合在双电极电解槽中，我们实现了78.37%的法拉第效率以及102.31 mmol h^–1 g^–1的尿素产率，从而实现了高纯度尿素的克级生产。