Urea Synthesis via Coelectrolysis of CO2 and Nitrate over Heterostructured Cu–Bi Catalysts

化学 催化作用 硝酸盐 尿素 联轴节(管道) 无机化学 核化学 有机化学 冶金 材料科学
作者
Xinning Song,Xiaodong Ma,Tianhui Chen,Liang Xu,Jiaqi Feng,Limin Wu,Shunhan Jia,Libing Zhang,Xingxing Tan,Ruhan Wang,Chunjun Chen,Jun Ma,Qinggong Zhu,Xinchen Kang,Xiaofu Sun,Buxing Han
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (37): 25813-25823 被引量:101
标识
DOI:10.1021/jacs.4c08564
摘要

Electrocatalytic coupling of CO2 and NO3- to urea is a promising way to mitigate greenhouse gas emissions, reduce waste from industrial processes, and store renewable energy. However, the poor selectivity and activity limit its application due to the multistep process involving diverse reactants and reactions. Herein, we report the first work to design heterostructured Cu-Bi bimetallic catalysts for urea electrosynthesis. A high urea Faradaic efficiency (FE) of 23.5% with a production rate of 2180.3 μg h-1 mgcat-1 was achieved in H-cells, which surpassed most reported electrocatalysts in the literature. Moreover, the catalyst had a remarkable recycling stability. Experiments and density functional theory calculations demonstrated that introduction of moderate Bi induced the formation of the Bi-Cu/O-Bi/Cu2O heterostructure with abundant phase boundaries, which are beneficial for NO3-, CO2, and H2O activation and enhance C-N coupling and promote *HONCON intermediate formation. Moreover, favorable *HNCONH2 protonation and urea desorption processes were also validated, further explaining the reason for high activity and selectivity toward urea.
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