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Thermal sculpting of nanoconfined single-atom cavities enables urea electrosynthesis with near-unity selectivity

法拉第效率 材料科学 电合成 尿素 咪唑酯 产量(工程) 联轴节(管道) 选择性 热的 化学工程 沸石咪唑盐骨架 催化作用 扩散 纳米技术 动能 吸附 能量转换 微型反应器 电化学 氧化还原 热传导 纳米团簇 基质(水族馆) 转化(遗传学) 化学物理
作者
Boxuan Yang,Yuxin Zeng,Lifeng Yin,Yunrong Dai,Qingsong Hua
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-79024-4
摘要

Abstract Electrocatalytic urea synthesis from CO 2 and NO 3 – offers a sustainable alternative to energy-intensive industrial methods, yet precise C–N coupling remains hindered by kinetic mismatches between the reduction reactions. Here, we report a strategy leveraging programmable Zn-node gasification to thermally sculpt 1.5–1.8 nm cavities within zeolitic imidazolate frameworks, hosting atomically dispersed Cu–N 4 sites. Thermal transformation creates size-matched nanoconfined environments for selective catalysis. An optimal confinement metric descriptor (9.64) is introduced as a predictive parameter, correlating cavity geometry with local electric-field and Cu d-band modulation. This design stabilizes *CO and *NO intermediates, effectively suppressing parasitic reactions and lowering C–N coupling barriers. Consequently, the catalyst delivers a urea yield of 71.32 g g cat –1 h –1 with 98.9% Faradaic efficiency (FE) in gas diffusion cells. Pilot-scale testing demonstrates stable operation over 300 h with an FE of 90%, establishing nanoconfinement as a design principle for competitive-performance urea electrosynthesis.
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