Dynamic Reconstitution Between Copper Single Atoms and Clusters for Electrocatalytic Urea Synthesis

催化作用 材料科学 尿素 电化学 铜 电催化剂 无机化学 电极 化学工程 化学 物理化学 有机化学 工程类 冶金
作者
Xiaoxiao Wei,Yingying Liu,Xiaorong Zhu,Shuowen Bo,Lei Xiao,Chen Chen,Ta Thi Thuy Nga,Yuanqing He,Mengyi Qiu,Chao Ying Xie,Dongdong Wang,Qinghua Liu,Fan Dong,Chung‐Li Dong,Xian‐Zhu Fu,Shuangyin Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (18): e2300020-e2300020 被引量:370
标识
DOI:10.1002/adma.202300020
摘要

Abstract Electrocatalytic CN coupling between carbon dioxide and nitrate has emerged to meet the comprehensive demands of carbon footprint closing, valorization of waste, and sustainable manufacture of urea. However, the identification of catalytic active sites and the design of efficient electrocatalysts remain a challenge. Herein, the synthesis of urea catalyzed by copper single atoms decorated on a CeO 2 support (denoted as Cu 1 –CeO 2 ) is reported. The catalyst exhibits an average urea yield rate of 52.84 mmol h −1 g cat. −1 at −1.6 V versus reversible hydrogen electrode. Operando X‐ray absorption spectra demonstrate the reconstitution of copper single atoms (Cu 1 ) to clusters (Cu 4 ) during electrolysis. These electrochemically reconstituted Cu 4 clusters are real active sites for electrocatalytic urea synthesis. Favorable CN coupling reactions and urea formation on Cu 4 are validated using operando synchrotron‐radiation Fourier transform infrared spectroscopy and theoretical calculations. Dynamic and reversible transformations of clusters to single‐atom configurations occur when the applied potential is switched to an open‐circuit potential, endowing the catalyst with superior structural and electrochemical stabilities.
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