动态不对称铜单原子催化域实现宽电位窗口下高效电催化合成尿素

《Nature Communications》：Renewable-compatible urea electrosynthesis enabled by dynamic asymmetric catalytic domains

　　

摘要

电催化C–N偶联为利用CO₂和硝酸盐生产尿素提供了一条可持续途径，然而大多数催化剂仅在狭窄的电位窗口内工作，限制了其在波动性可再生能源条件下的性能。在此，我们展示了一种动态不对称催化域，由铜单原子（Cu_SA）和铜-铑单原子合金（Cu₁Rh_SAA）组成，其中不对称位点通过具有弹性的Cu/Rh–O–V电子桥相互连接。这两种铜环境分别促进初始的C–N偶联和后续的加氢反应，而弹性电子桥则能重新分配过剩电荷，并帮助在电位变化时维持局部配位环境。该设计在?0.2至?0.6 V范围内实现了超过65%的尿素法拉第效率（FE），产率高达234.39 mmol h^?1 g^?1。在基于太阳辐射的七变量电位方案下，平均尿素法拉第效率为70.0 ± 8.0%。技术经济评估和生命周期评估表明该方案具有良好的环境和经济潜力。这些结果确立了动态不对称催化域作为可规模化、与可再生能源兼容的电合成含氮产物的通用策略。