Boosting Electroreduction of Nitrate and CO2 to Urea on a Tandem Fe1/MoS2 Catalyst

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作者
Wenyu Du,Zeyi Sun,Shiyao Shang,Kai Chen,Xing Yang,Ke Chu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (40): 27718-27726 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c10187
摘要

Urea electrosynthesis by coelectrolysis of NO3- and CO2 (UENC) holds enormous promise for sustainable urea production, while the efficient UENC process relies on the rational design of high-performance catalysts to facilitate the electrocatalytic C-N coupling efficiency and the hydrogenation reaction process. Herein, Fe single atoms supported on MoS2 (Fe1/MoS2) are developed as a highly effective and robust catalyst for UENC. Theoretical calculations and operando spectroscopic measurements reveal a tandem catalysis mechanism of the Fe1-S3 motif and MoS2-edge to jointly promote the UENC process, where the Fe1-S3 motif drives the early C-N coupling and subsequent *CO2NO2-to-*CO2NH2 step. The generated *CO2NH2 is then migrated from the Fe1-S3 motif to the nearby MoS2-edge, which facilitates the *CO2NH2 → *COOHNH2 step for urea formation. Noticeably, Fe1/MoS2 assembled in a flow cell reaches a maximum urea Faraday efficiency of 54.98% with a corresponding urea yield rate of 18.98 mmol h-1 g-1, performing at the top level among all of the UENC catalysts reported to date.
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