Enhanced CO 2 Activation Through Spin States Engineering Boosting Urea Electrosynthesis From Co‐Reduction of CO 2 and NO 2 −

法拉第效率 催化作用 尿素 电合成 化学 电子转移 电化学 离域电子 无机化学 选择性 产量(工程) 自旋态 电子效应 材料科学 甲醇 吸附 电催化剂 二氧化碳电化学还原 铂金
作者
Lu‐Hua Zhang,Junjie Zhou,Jiayu Zhan,Xiaolin Zhu,F S Li,Fengshou Yu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e6197518-e6197518
标识
DOI:10.1002/anie.6197518
摘要

ABSTRACT Electrocatalytic urea synthesis through co‐reduction of CO 2 and NO 3 − /NO 2 − has been considered as a sustainable alternative for urea production. However, the challenge for inert CO 2 activation results in inefficient C‐containing species coverage, leading to low urea yield and dominant NH 3 production. Herein, we design a Cu‐Mn dual‐site catalyst by co‐embedding CuO x clusters and single‐atomic Mn sites on C 3 N 4 ‐coated carbon nanotubes (CuO x /Mn 1 ‐C 3 N 4 @CNT) for urea electrosynthesis through co‐reduction of CO 2 and NO 2 − . Experimental and theoretical results show that the electron transfer from CuO x clusters to single‐atomic Mn sites induces Mn 3d electron delocalization and further spin configuration transformation from low spin states to high spin states. The electronic states regulation improves electron‐donation ability of Mn sites to substrates and enables the enhanced CO 2 activation and C‐containing intermediates adsorption behavior, facilitating coupling with N‐intermediates. Consequently, the CuO x /Mn 1 ‐C 3 N 4 @CNT catalyst achieves 60.2% urea Faradaic efficiency at −0.4 V (vs. RHE), 100% carbon selectivity over a record‐wide potential range of 300 mV, and exceptional 336 h cycling stability with 202.4 mg urea production. This work reveals a clear mechanism for performance enhancement through electronic interactions of dual sites and provides a dual‐substrate conversion catalyst design strategy.
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