Kinetically matched C–N coupling toward efficient urea electrosynthesis enabled on copper single-atom alloy

法拉第效率 电合成 尿素 电化学 催化作用 氨生产 材料科学 产量(工程) 无机化学 化学 电极 物理化学 有机化学 冶金
作者
Maotian Xu,Fangfang Wu,Ye Zhang,Yuanhui Yao,Genping Zhu,Xiaoyü Li,Liang Chen,Gan Jia,Xiyong Wu,Youju Huang,Peng Gao,Wei Ye
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42794-2
摘要

Abstract Chemical C–N coupling from CO 2 and NO 3 – , driven by renewable electricity, toward urea synthesis is an appealing alternative for Bosch–Meiser urea production. However, the unmatched kinetics in CO 2 and NO 3 – reduction reactions and the complexity of C- and N-species involved in the co-reduction render the challenge of C–N coupling, leading to the low urea yield rate and Faradaic efficiency. Here, we report a single-atom copper-alloyed Pd catalyst (Pd 4 Cu 1 ) that can achieve highly efficient C–N coupling toward urea electrosynthesis. The reduction kinetics of CO 2 and NO 3 – is regulated and matched by steering Cu doping level and Pd 4 Cu 1 /FeNi(OH) 2 interface. Charge-polarized Pd δ– -Cu δ+ dual-sites stabilize the key *CO and *NH 2 intermediates to promote C–N coupling. The synthesized Pd 4 Cu 1 -FeNi(OH) 2 composite catalyst achieves a urea yield rate of 436.9 mmol g cat. –1 h –1 and Faradaic efficiency of 66.4%, as well as a long cycling stability of 1000 h. In-situ spectroscopic results and theoretical calculation reveal that atomically dispersed Cu in Pd lattice promotes the deep reduction of NO 3 – to *NH 2 , and the Pd-Cu dual-sites lower the energy barrier of the pivotal C–N coupling between *NH 2 and *CO.
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