Tip‐Induced Self‐Enhanced Concentration Gradients Catalyst for Sustainable Electrocatalytic Urea Synthesis

材料科学 催化作用 电化学 联轴节(管道) 化学工程 碳纤维 电极 氮气 制氢 分解水 电场 纳米技术 工作(物理) 尿素 介孔材料 无机化学 产量(工程) 电催化剂 纳米尺度 可持续能源 碳纳米管 离子 能量转换 可逆氢电极 化学能
作者
Mingyu Chen,Xupeng Qin,Nannan Guo,Zhou Chen,Jianhua Zhang,Lipan Luo,Kaizhi Gu,Chade Lv,Luxiang Wang,Qinghua Liu,Zhong Cheng,Ze Wu Wu,Hui Li,Yidan Huo,Dawei Chen,Guobin Wen,Chen Chen,Shuangyin Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (15): e18547-e18547
标识
DOI:10.1002/adma.202518547
摘要

ABSTRACT Electrocatalytic C─N coupling via the co‐reduction of CO 2 and NO 3 − represents a promising route for sustainable urea synthesis under ambient conditions, simultaneously addressing critical challenges in energy sustainability and environmental remediation. However, its practical implementation is hindered by sluggish C─N coupling kinetics and the competing hydrogen evolution reaction (HER), which severely restricts energy conversion efficiency. Herein, we propose a tip‐induced local electric field strategy that generates a self‐enhanced concentration gradient to promote electrocatalytic C─N coupling. By constructing densely aligned Co 3 O 4 nanoneedles on carbon cloth, an outstanding electrocatalytic performance was achieved, requiring only an ultra‐low potential of −0.60 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) while delivering a high urea yield rate of 49.63 umol h −1 cm −2 and a Faradic efficiency of 21.37%. Finite element simulations reveal that the nanoscale high‐curvature tip generates an intensified local electric field, enriching potassium ions (K + ) at the electrode‐electrolyte interface to stabilize key intermediates and direct the reaction pathway toward C─N coupling. Moreover, a series of operando spectroscopic characterizations provide direct evidence for enhanced C─N coupling process under an intensified local electric field. This work offers a generalizable strategy for energy‐efficient C─N coupling, paving the way for sustainable utilization of nitrogen and carbon resources.
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