CuO/In2 O3 空心立方体界面电子转移诱导双位点协同效应高效合成甲酰胺

研究人员针对传统酰胺合成依赖化石燃料、条件苛刻的问题，设计CuO/In2 O3 空心立方体催化剂，通过界面电子转移（In-O-Cu桥）实现CHO（Cu位点）与NH2 （In位点）自发耦合，在120 mA cm-2 电流密度下实现甲酰胺FE达49.05%（平均43.06±5.94%），为绿色电合成酰胺提供新策略。

　　

酰胺类化合物是医药和化工领域的关键中间体，但传统合成依赖高温高压下的化石燃料转化，不仅能耗高，还加剧温室效应。以甲酰胺为例，工业上需通过CO与NH₃
在严苛条件下反应，设备复杂且效率低下。电化学C-N耦合反应利用可再生能源驱动CO₂
衍生物（如CH₃
OH）与含氮分子（如NH₃
）在常温常压下合成酰胺，被视为绿色化学的突破方向。然而，现有催化剂面临电子转移步骤多、C-C与C-N耦合竞争等问题，导致产物选择性和法拉第效率（Faradaic efficiency, FE）低下。

针对这一挑战，中国的研究团队通过构建CuO/In₂
O₃
空心立方体催化剂，成功实现了甲醇与氨水高效电合成甲酰胺。该研究发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，揭示了界面电子转移诱导的双位点协同机制，为酰胺绿色合成提供了新思路。

关键技术方法
研究采用溶剂热法合成CuO/In₂
O₃
空心立方体，通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征结构；利用原位拉曼光谱追踪CHO与NH₂
中间体；结合密度泛函理论（DFT）计算电子转移路径；采用核磁共振（¹
H NMR）定量产物。

研究结果

1. 材料筛选与性能优势
   对比TiO₂
   、CeO₂
   等材料，CuO/In₂
   O₃
   在120 mA cm^-2
   电流密度下实现甲酰胺FE 49.05%（平均43.06±5.94%），产率8.43±1.54 g h^-1
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   ^-1
   ，显著优于单金属催化剂。空心结构提供高比表面积和快速传质通道。

2. 机理揭示
   原位拉曼显示CHO优先吸附于Cu位点，NH₂
   富集于In位点。DFT计算表明In-O-Cu桥促进电子转移，使CHO与NH₂
   耦合能垒降低至-0.32 eV，推动C-N键自发形成。

3. 底物拓展性
   以乙醇、丙醇为碳源可分别合成乙酰胺和丙酰胺，证实催化剂普适性。

结论与意义
该工作通过精准设计CuO/In₂
O₃
双位点催化剂，首次阐明界面电子转移对C-N耦合的促进作用。相较于传统需10-14电子转移的CO₂
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^-
体系，甲醇/氨水路径仅需2电子转移，大幅提升能量效率。研究成果为开发高效酰胺电合成催化剂提供理论依据，推动绿色化学工业发展。