Pore Engineering for Directional CO2 Enrichment in Urea Electrosynthesis

材料科学 纳米孔 化学工程 纳米技术 选择性 电化学 尿素 法拉第效率 有机化学 电极 化学 催化作用 工程类 物理化学
作者
Chun Li,Haoyang Xu,Nan Zou,Ruoting Liu,Yimin Zeng,Ying Zheng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (34): 48631-48637
标识
DOI:10.1021/acsami.5c09970
摘要

Electrochemical synthesis of urea from CO2 and nitrate offers a sustainable pathway to address both carbon emissions and nitrogen pollution. However, achieving high C-N coupling selectivity remains challenging due to competing hydrogen evolution reactions and insufficient CO2 utilization. Herein, we implement a nanopore-structure engineering strategy to precisely tailor pore length and surface chemistry in metal-free porous carbon frameworks. Oxygen-functionalized surfaces augment CO2 binding affinity via dipole-quadrupole interactions, while elongated pores induce directional CO2 enrichment by establishing a H2O-deficient nanoenvironment that prolongs the residence time of CO2 through capillary gating. This dual modulation of gas-liquid-solid interactions enhances urea selectivity and suppresses hydrogen evolution, yielding a 28% increase in Faradaic efficiency and 12% improvement in urea yield. Our findings propose a novel nanopore-level design concept that shall support the rational development of porous carbon supports across gas-liquid-solid electrocatalytic systems.
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