Efficient C–N coupling in the direct synthesis of urea from CO 2 and N 2 by amorphous Sb x Bi 1-x O y clusters

催化作用 尿素 联轴节(管道) 水溶液 产量(工程) 吸附 无定形固体 材料科学 化学 结晶学 物理化学 有机化学 冶金
作者
Xiangyu Chen,Shuning Lv,Jian Kang,Zhongchang Wang,Tianqi Guo,Yu Wang,Gilberto Teobaldi,Limin Liu,Lin Guo
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (39) 被引量:24
标识
DOI:10.1073/pnas.2306841120
摘要

Although direct generation of high-value complex molecules and feedstock by coupling of ubiquitous small molecules such as CO 2 and N 2 holds great appeal as a potential alternative to current fossil-fuel technologies, suitable scalable and efficient catalysts to this end are not currently available as yet to be designed and developed. To this end, here we prepare and characterize Sb x Bi 1-x O y clusters for direct urea synthesis from CO 2 and N 2 via C–N coupling. The introduction of Sb in the amorphous BiO x clusters changes the adsorption geometry of CO 2 on the catalyst from O-connected to C-connected, creating the possibility for the formation of complex products such as urea. The modulated Bi(II) sites can effectively inject electrons into N 2 , promoting C–N coupling by advantageous modification of the symmetry for the frontier orbitals of CO 2 and N 2 involved in the rate-determining catalytic step. Compared with BiO x , Sb x Bi 1-x O y clusters result in a lower reaction potential of only −0.3 V vs. RHE, an increased production yield of 307.97 μg h −1 mg −1 cat , and a higher Faraday efficiency (10.9%), pointing to the present system as one of the best catalysts for urea synthesis in aqueous systems among those reported so far. Beyond the urea synthesis, the present results introduce and demonstrate unique strategies to modulate the electronic states of main group p -metals toward their use as effective catalysts for multistep electroreduction reactions requiring C–N coupling.
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