Phosphorus-Doped Cu/Fe 2 O 3 Electrocatalysts with Optimized Synergy between the Different Sites for Efficient Urea Electrosynthesis

电合成 化学 尿素 兴奋剂 磷 无机化学 电化学 物理化学 电极 有机化学 光电子学 物理
作者
Ting Deng,Shuaiqiang Jia,Cheng Xue,Hailian Cheng,Jiapeng Jiao,Xiao Chen,Zhanghui Xia,Mengke Dong,Chunjun Chen,Haihong Wu,Mingyuan He,Buxing Han
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (36): 32924-32931 被引量:48
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09805
摘要

Urea electrosynthesis from the coelectrolysis of CO 2 and NO 3 – (UECN) has emerged as a promising sustainable alternative to traditional energy-intensive methods; however, the rational design of advanced electrocatalysts capable of achieving concurrent optimization of Faradaic efficiency (FE) and urea yield rates continues to pose a fundamental challenge in this field. Herein, we developed a phosphorus-doped Cu/Fe 2 O 3 electrocatalyst (denoted as P–Cu/Fe 2 O 3 ), where phosphorus atoms partially substitute for oxygen atoms within the Cu/Fe 2 O 3 heterostructure. This engineered electrocatalyst achieves exceptional urea electrosynthesis performance, delivering a very high Faradaic efficiency of 73.81% with a corresponding yield rate of 62.74 mmol h –1 g –1 cat. at −0.68 V vs RHE, which are superior to most UECN electrocatalysts reported to date. Notably, the urea yield rate can be further boosted to 97.11 mmol h –1 g –1 cat. at −0.88 V vs RHE. Operando spectroscopic characterization and density functional theory (DFT) simulations indicated that P doping modulates the electronic structure of the electrocatalyst surface, which promotes the formation of *CO and *NO, lowers the energy barrier for the coupling of *CO and *NO, and increases *H coverage to facilitate the hydrogenation process during UECN. This multisite cooperative mechanism establishes a new paradigm for designing high-performance electrocatalysts, demonstrating substantial potential for industrial-scale urea production.
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