Spatially Matched C–N Coupling within Carbon Defect Confined Interlayer Fe Clusters for Efficient Urea Electrosynthesis

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作者
Qilong Wu,Liyun Wu,Yun Han,Haiyuan Zou,Xiaozhi Su,Yongheng Chu,Hao Deng,Sirui Tang,Xiaokang Wang,Dongdong Zhang,Fangfang Zhu,Jia Yi,Shaohua Shen,Aijun Du,Chen Chen,Shuangyin Wang,Xiangdong Yao,Jun Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (5): e14503-e14503 被引量:7
标识
DOI:10.1002/adma.202514503
摘要

Abstract Tailoring spatially matched multi‐site structure to simultaneously coordinate CO 2 and NO 3 − activation and coupling remains a significant challenge for urea electrosynthesis. Herein, interlayer Fe atomic clusters is constructed (Fe acs ) in expanded 2H‐graphitic carbon via a carbon defect‐confinement strategy, where spatially matched Fe acs between graphite layers act as ideal nanoreactors for cooperative C─N coupling. These interlayer Fe acs are achieved by kinetically modulating cascade reactions (FeO x reduction, H 2 /CO 2 ‐mediated carbon etching, and vacancy trapping) during pyrolysis under H 2 /Ar atmosphere with low flow rates. As a result, the interlayer Fe acs catalyst exhibits a high urea Faradaic efficiency of 39.80% and a normalized production rate of 3643.65 m m h −1 gFe −1 , which is 7.98‐ and 9.88‐fold higher than control samples (Fe particles without interlayer structure). In‐situ fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and density functional theory (DFT) calculations further reveal that the spatial matched interlayer Fe acs structure promotes the adsorption of *CO intermediate and lowers energy barriers for the dehydration of NH 2 OH, while carbon defects favor water dissociation kinetics, accelerating subsequent hydrogenation steps and promoting C─N coupling within the interlayer Fe acs . This work provides a paradigm for designing catalysts with spatial matched active sites for sustainable urea synthesis.
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