Precisely Bonded Fe─Cu Diatomic Sites with Nitrogen‐Bridged Coordination on Hollow C3N4 Spheres for Efficient C─N Coupling and Selective Photocatalytic Urea Synthesis

双原子分子 催化作用 选择性 吸附 材料科学 产量(工程) 光催化 结晶学 无机化学 物理化学 化学 分子 复合材料 有机化学
作者
Muhammad Irfan Ahmad,Xie Quan,Haokun Bai,Yanming Liu,Shuo Chen,Hongtao Yu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202512234
摘要

Abstract The photocatalytic synthesis of urea from CO 2 and N 2 co‐reduction presents a promising alternative to the conventional energy‐intensive Haber–Bosch process. However, competitive adsorption on the catalyst surface often limits selectivity and yield. Here, we designed hollow graphitic carbon nitride (g‐C 3 N 4 ) spheres, which serve as a high surface area scaffold for precise anchoring of Fe─Cu diatomic sites. Hollow architecture enhances light harvesting via inner‐scattering effects and charge separation. Each Fe─Cu site is coordinated with two nitrogen atoms, forming N 2 ─Fe 1 ─Cu 1 ─N 2 /C 3 N 4 DAC (hereafter referred to as FeCu/CN), which enables cooperative activation of CO 2 and N 2 , in contrast to monodispersed diatomic (Fe+Cu/CN), and single‐atom catalysts (Fe/CN, Cu/CN). The FeCu/CN bonded pairs serve as highly efficient active centers, facilitating the synergistic adsorption and activation of multiple reactants. Specifically, during the co‐reduction of CO 2 and N 2 , the Fe 1 site preferentially adsorbs and activates CO 2 , while bonded Cu 1 sites stabilize N 2 on FeCu/CN and enable synergistic C─N coupling through the formation of *NCON intermediates. As a result, the FeCu/CN achieves an exceptional urea yield of 7.40 mg·g cat −1 ·h −1 with a 38.58% selectivity under visible light irradiation. Our findings highlight the crucial role of atomic‐level coordination in multireactants and offer insights into the C─N coupling for value‐added products using CO 2 and N 2 as feedstock.
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