Concentration‐Adaptive Electrocatalytic Urea Synthesis From CO2 and Nitrate via Porphyrin and Metalloporphyrin MOFs

卟啉 尿素 化学 硝酸盐 电催化剂 光化学 电化学 组合化学 无机化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Yi Tan,Xiaokang Chen,J. Yuan,Guan Sheng,Wei Deng,Hao Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:137 (35)
标识
DOI:10.1002/ange.202513441
摘要

Abstract Traditional urea synthesis via the Bosch–Meiser process suffers from high energy consumption and greenhouse gas emissions. Electrocatalytic urea production from carbon dioxide (CO 2 ) and nitrate (NO 3 − ) under ambient conditions offers a sustainable alternative, yet challenges persist due to variable NO 3 − concentrations and competing side reactions. Herein, we propose porphyrin metal‐organic framework (PMOF) and Cu‐porphyrin MOF (Cu‐PMOF) catalysts for NO 3 − concentration‐adaptive urea synthesis. Density functional theory (DFT) calculations reveal that PMOF weakly adsorbs *NO 2 via hydrogen bonding, favoring its coupling with *CO 2 , while Cu‐PMOF strongly binds *NO 2 at Cu sites, facilitating spontaneous *NO/*CO coupling to form *OCNO intermediates under dilute NO 3 − conditions. Experimentally, PMOF achieves a urea yield of 28.6 µmol h −1 mg cat −1 and a Faradaic efficiency (FE) of 23.1% in 0.1 M NO 3 − , whereas Cu‐PMOF outperforms in 0.05 M NO 3 − with a yield of 25.5 µmol h −1 mg cat −1 and FE of 52.7%. In situ spectroscopy and mechanistic study confirm distinct pathways: PMOF relies on stepwise coupling of *HNO 2 with *CO 2 , while Cu‐PMOF enables consecutive *NO‐*CO coupling. This work highlights adaptive electrocatalyst design for efficient C‐N coupling, advancing sustainable urea synthesis.
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