Quaternary Medium-Entropy Alloy Metallene with Strong Charge Polarization for Highly Selective Urea Electrosynthesis from Carbon Dioxide and Nitrate

电合成 二氧化碳 硝酸盐 材料科学 合金 尿素 无机化学 化学 电化学 电极 物理化学 有机化学 冶金
作者
Yuanbo Zhou,Mengfan Wang,Lifang Zhang,Najun Li,Tao Qian,Chenglin Yan,Jianmei Lu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (7): 7273-7282 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c17546
摘要

Electrochemical urea synthesis via the coreduction of CO2 and NO3– is a sustainable alternative to the traditional Bosch–Meiser process. However, the sluggish reaction kinetics usually result in a low efficiency. Herein, we designed a kind of quaternary PdCuCoZn medium-entropy alloy (MEA) metallene for highly selective urea electrosynthesis. The random occupation of Cu, Co, and Zn with lower electronegativity in the face-centered cubic lattice of Pd-based metallene enables abundant electron donation from transition metals to adjacent Pd atoms, leading to the formation of charge-polarized Pdδ−–Cu/Co/Znδ+ sites. Considering that the pivotal C- and N-intermediates, namely, *CO and *NH2, are electrophilic and nucleophilic, respectively, such strong charge polarization would greatly benefit their respective formation and stabilization. The stable adsorption with *CO bonded to electron-rich Pd-based sites and *NH2 bonded to electron-deficient Cu/Co/Zn-based sites is demonstrated by the combination of in situ characterizations and theoretical calculations. The proof-of-concept PdCuCoZn MEA metallene achieves a maximum urea yield rate of 1840 μg h–1 mg–1 and a high Faradaic efficiency of 70.2%, surpassing most of the reported state-of-the-arts. Our strategy proposed in this work is believed to enlighten the design of an effective catalyst used for multistep reactions.
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