铜铁双原子协同催化实现高效光催化CO2与N2合成尿素

为解决工业尿素合成高能耗问题，研究人员开发了Cu单原子修饰的Fe2O3纳米棒催化剂（Cu-Fe2O3），通过Cu-O-Fe双位点协同激活惰性CO2/N2并促进C-N偶联，在温和条件下实现171 μmol g?1 h?1的尿素产率和>90%选择性，为绿色化学合成提供新范式。

　　

这项突破性研究展示了一种仿生双原子催化策略：通过将铜(Cu)单原子锚定在多孔氧化铁(Fe₂O₃)纳米棒上，构建出具有独特Cu-O-Fe配位结构的催化剂。这种设计巧妙地模拟了天然酶系统的活性中心，其奥秘在于铜铁双原子的轨道特性——Cu的3d轨道与CO₂的LUMO轨道能级匹配，而Fe的3d轨道则与N₂的π*轨道对齐，就像分子级别的"锁钥配对"般实现选择性吸附。

更精妙的是，高电负性的Cu原子在Fe₂O₃表面形成局部电势差，驱动CO₂和N₂的梯度活化：CO₂先在Cu位点被还原为CO中间体，随后N₂在相邻Fe位点解离为N=N*物种。二者通过轨道杂化实现C-N偶联，就像分子舞蹈中的精准"牵手"，有效规避了副产物的生成。在模拟太阳光驱动下，这个微型"分子工厂"以>90%的选择性持续输出尿素，性能远超传统热催化工艺。

该研究不仅创下光催化尿素合成的纪录，更开创了"轨道工程"设计双原子催化剂的新范式。这种仅需阳光和水的清洁生产工艺，有望替代能耗巨大的哈伯-博施工艺，为碳中和目标下的智能肥料生产和碳资源循环提供关键技术支撑。