Designing Molecular Reactor of Interlayer Dual‐Atom Toward Urea Electrosynthesis

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作者
Kefan Zhang,Yuyan Liu,Xupeng Qin,Peilian Hou,Chu Zhang,Dafeng Yan,Chade Lv,Dawei Chen,Yong Feng,Ze Wu,Yujie Wang,Shuxuan Liu,Yingjie Li,Yongpan Hu,Kun Feng,Jun Zhong,Qinghua Liu,Chen Chen,Shuangyin Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (38): e202513341-e202513341 被引量:10
标识
DOI:10.1002/anie.202513341
摘要

Electrocatalytic C─N coupling offers a sustainable alternative to energy-intensive industrial processes for urea synthesis. Herein, we design conjugated polymer-based molecular reactors featuring interlayer diatomic Cu-N4 sites and precisely tunable spacings (4.0, 4.6, and 5.7 Å) to optimize CO2 and nitrate coupling. The 4.0 Å-spaced copper polyphthalocyanine (CuPPc-4.0) delivers a remarkable urea yield rate of 460.0 mmol h-1 g-1 with 26.1% Faradaic efficiency at -1.3 V (versus RHE), outperforming wider-spaced analogs. The optimal 4.0 Å cavity spatially confines reactants and intermediates, matching urea's molecular dimensions (3.5 Å), thereby enhancing C-N coupling and urea synthesis activity, while the layered AA stacking structure stabilizes unbonded diatomic Cu configurations, preventing aggregation and ensuring durability. Mechanistic studies reveal that while ball-milling treatment increases single-atom exposure, it disrupts the layered architecture and eliminates interlayer diatomic sites, reducing activity by about 50%. This work demonstrates a multidimensional catalyst design integrating atomic precision and molecular confinement for sustainable electrosynthesis.
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