Efficient C−N Coupling via Oxidation State Inversion in Asymmetric Copper–Zinc Amorphous‐Like Atomic Clusters Driving Photoelectrocatalytic Urea Synthesis

法拉第效率 无定形固体 电子转移 光化学 价(化学) 氧化态 化学 电子传输链 电化学 金属 无机化学 材料科学 电极 结晶学 物理化学 有机化学 生物化学
作者
Yuxiu Zou,Xiangjiao Gong,Wenli Zhao,Xiaxin Wang,Chun‐Lin Jia,Honghui Ou,Bo Lin,He Li,Dingsheng Wang,Guidong Yang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202517559
摘要

Photoelectrochemical (PEC) coupling of CO2 and nitrate presents a sustainable strategy for urea synthesis under ambient conditions. However, the complexity of the proton-coupled electron transfer process restricts the selective formation of the key intermediates, impeding efficient C-N coupling. Here, copper-zinc amorphous-like ultra-small atomic clusters are developed for efficient urea synthesis. The atomically disordered arrangement in the amorphous-like structure breaks the periodicity constraints of crystalline counterpart, enabling asymmetric Cuδ+-Znδ+ coordination featuring oxidation state inversion, where the Cu oxidation state elevates within a narrow valence range (0 < δ < 1) and the Zn oxidation state reduces compared to the crystalline counterpart. More importantly, the oxidation state inversion generates electron-deficient Cu centers that stabilize the formation of new *NO intermediates, which are identified as a key intermediate that facilitates coupling with *CO species adsorbed on the electron-rich Zn sites, effectively reducing the activation barrier for C-N coupling involved in the formation of *OCNO. Under simulated AM 1.5G irradiation, the PEC system demonstrated well-balanced performance, achieving a high production rate of 64.03 mmol g-1 h-1 at a low external potential of -0.1 V versus the reversible hydrogen electrode, with a corresponding Faradaic efficiency of 46.60% and an incident photon-to-current conversion efficiency of 17.6% at monochromatic illumination.
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