Tailoring Activation Intermediates of CO2 Initiates C–N Coupling for Highly Selective Urea Electrosynthesis

化学 电合成 尿素 联轴节(管道) 无机化学 电化学 电极 有机化学 物理化学 机械工程 工程类
作者
Chao Zhao,Jin Yu,Jing Yuan,Qilin Hou,He Li,Xiaoqing Yan,Honghui Ou,Guidong Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (10): 8871-8880 被引量:117
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00583
摘要

Electrocatalyzed reduction of CO2 and NO3– to synthesize urea is a highly desirable, but challenging reaction. The bottleneck of this reaction is the C–N coupling of CO2 and NO3– reduction intermediates. In particular, the uncertainty of CO2 multielectron reduction intermediates severely affects the selectivity and activity of C–N coupling processes involving multiple electron and proton transfers. Here, we present a novel tandem catalyst with two compatible single-atom active sites of Au and Cu on red phosphorus (RP-AuCu) that efficiently converts CO2 and NO3– to urea. Experimental and theoretical prediction results confirmed that the active center of Au on red phosphorus promotes electron transfer between CO2 molecules and red phosphorus, thereby regulating CO2 activation intermediates to produce electrophilic *COOH. In addition, the active center of Cu on red phosphorus can enhance the electrophilic attack of *COOH species on *NH2, thus promoting the selective formation of C–N bonds. Consequently, RP-AuCu exhibited a urea yield of 22.9 mmol gcat.–1 h–1 and a Faraday efficiency of 88.5% (−0.6 VRHE), representing one of the highest levels of electrocatalytic urea synthesis. This work deepens the understanding of the C–N coupling mechanism and provides an interesting catalyst design approach for the efficient and sustainable production of C–N compounds.
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