Sub-2 nm Cu and Co Codoping SnO2 Ultrathin Nanosheet with Mesoporous Structure for Efficient Electrocatalytic Urea Synthesis

纳米片 化学 介孔材料 尿素 无机化学 催化作用 纳米技术 有机化学 材料科学
作者
Tianbao Zhang,Ping Wang,Cheng Yang,Ying Gao,Jiasai Yao,Senyao Meng,Huawei Li,Rui Tan,Jinlin Liu,Zhenxing Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (36): 33108-33119 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.5c10986
摘要

The production of urea through C–N coupling via the electrochemical coreduction of CO2 and NO3– represents an environmentally friendly and promising approach. However, the C–N coupling reaction encompasses multiple reactants and complex pathways, necessitating a catalyst that exhibits a high efficiency in both CO2 and NO3– reduction. Herein, the sub-2 nm Cu and Co codoped SnO2 ultrathin nanosheet (SnO2CuCo) with mesoporous structure is synthesized for the electrochemical coreduction of CO2 and NO3– for urea synthesis, and the thickness of SnO2CuCo is only 1.8 nm, and the mesoporous size in the ultrathin nanosheet is 2 nm. The as-synthesized SnO2CuCo achieved a remarkable urea Faraday efficiency (FE) of 50 ± 1% with a production rate as high as 2701.2 ± 99.1 μmol h–1 gcat–1. Additionally, the SnO2CuCo catalyst demonstrated exceptional stability after 10 catalytic cycles. Through in situ spectroscopic analysis combined with density functional theory computations, it has been revealed that Cu doping facilitates the reduction of CO2 to CO and enhances CO adsorption, favoring the creation of the essential *CO intermediate species. Meanwhile, Co doping effectively reduces the activation energy required for the C–N coupling reaction, thereby promoting the catalytic performance, specifically the activity and selectivity, of the SnO2CuCo catalyst in the process of urea synthesis. This finding provides a whole new catalytic strategy for the electrochemical production of urea.
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