電催化二氧化碳（CO₂）和硝酸鹽（NO₃^–）的C-N偶聯(lián)為傳統(tǒng)的能源密集型尿素合成方案提供了可持續(xù)的替代方案，從而實現(xiàn)廢物升級和增值產(chǎn)品合成。高效穩(wěn)定的電催化劑的設(shè)計，對促進電催化尿素合成的發(fā)展至關(guān)重要。

基于此，2024年10月14日，湖南大學(xué)王雙印教授、陳晨副教授、陳大偉博士在國際頂級期刊Nature Communications發(fā)表題為《Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst》的研究論文。

在這項工作中，銅酞菁（CuPc）因其精確且可調(diào)節(jié)的活性構(gòu)型而被用作尿素合成的模擬催化劑。結(jié)合實驗和理論研究，可以觀察到通過氨基取代（CuPc-Amino）優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)增強分子內(nèi)Cu-N配位，有效抑制電化學(xué)誘導(dǎo)的脫金屬作用，這是其優(yōu)異活性和穩(wěn)定性的來源。

與CuPc（最大尿素產(chǎn)率為39.9±1.9?mmol?h^–1 g^–1，在10次測試循環(huán)中衰減67.4%）相比，CuPc-Amino的尿素產(chǎn)率高達103.1±5.3?mmol?h^–1 g^–1，具有顯著的催化效果和耐用性。

作者通過同位素標(biāo)記、operando電化學(xué)光譜測量以揭示反應(yīng)機制和驗證C-N偶聯(lián)過程。

本工作為尿素合成分子電催化劑的合理設(shè)計提供了獨特的方案。

圖1：電催化劑的物理表征

圖2：電催化合成尿素的性能

圖3：電催化合成尿素活性和穩(wěn)定性的來源

Li, H., Xu, L., Bo, S.?et al.?Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst.?Nat. Commun.?15, 8858 (2024).