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Achieving Record-Breaking Urea Synthesis on Crystalline–Amorphous Hybrid via Electrochemical-Chemical Looping

化学 无定形固体 电化学 尿素 化学工程 有机化学 物理化学 电极 工程类
作者
Cheng Zhong,Xiaodeng Wang,Dafeng Yan,Xupeng Qin,Dawei Chen,Chu Zhang,Yujie Wang,Yansong Zhou,Chade Lv,Peilian Hou,Kefan Zhang,Peng Jin,Yangyang Zhou,Qinghua Liu,Kaizhi Gu,Xiaoxiao Wei,Chen Chen,Shuangyin Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (43): 39761-39769
标识
DOI:10.1021/jacs.5c13721
摘要

Electrocatalytic C-N coupling of nitrate and CO2 represents a paradigm shift in sustainable urea synthesis. We demonstrate that amorphous CuOx-coated crystalline Cu nanowires achieve a record-breaking urea yield rate of 0.89 mol h-1 g-1 via novel electrochemical-chemical looping. Mechanistic investigations reveal a three-step catalytic cycle: (i) electro-reductive generation of Cu0 and oxygen vacancies (Ov); (ii) Ov-mediated nitrate activation via oxygen atom insertion, spontaneously yielding nitrogen-bonded nitrite (*NO2) while oxidizing Cu0 to catalytically active Cu+; and (iii) Cu+-catalyzing C-N coupling between *NO2 and CO2 to form urea. This pathway circumvents conventional rate-limiting nitrate reduction step, reducing the electron transfer requirement from 16e- to 12e- for urea synthesis. Notably, direct nitrite utilization fails to generate Cu+ or nitrogen-bonded intermediates, instead forming oxygen-bonded species with markedly reduced C-N coupling activity-a finding that overturns conventional understanding. Our work establishes new fundamental principles for efficient urea synthesis and provides insights into catalyst design and green chemistry.
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