Tandem Catalysts Enabling Efficient C−N Coupling toward the Electrosynthesis of Urea

电合成 串联 催化作用 尿素 法拉第效率 化学 无机化学 电化学 材料科学 有机化学 物理化学 电极 复合材料
作者
Yuhang Gao,Jingnan Wang,Menglong Sun,Jing Yuan,Lili Chen,Zhiqin Liang,Yijun Yang,Yijun Yang,Chuang Zhang,Jiannian Yao,Xi Wang,Xi Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (23): e202402215-e202402215 被引量:104
标识
DOI:10.1002/anie.202402215
摘要

Abstract The development of a methodology for synthesizing value‐added urea (CO(NH 2 ) 2 ) via a renewable electricity‐driven C−N coupling reaction under mild conditions is highly anticipated. However, the complex catalytic active sites that act on the carbon and nitrogen species make the reaction mechanism unclear, resulting in a low efficiency of C−N coupling from the co‐reduction of carbon dioxide (CO 2 ) and nitrate (NO 3 − ). Herein, we propose a novel tandem catalyst of Mo‐PCN‐222(Co), in which the Mo sites serve to facilitate nitrate reduction to the *NH 2 intermediate, while the Co sites enhance CO 2 reduction to carbonic oxide (CO), thus synergistically promoting C−N coupling. The synthesized Mo‐PCN‐222(Co) catalyst exhibited a noteworthy urea yield rate of 844.11 mg h −1 g −1 , alongside a corresponding Faradaic efficiency of 33.90 % at −0.4 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE). By combining in situ spectroscopic techniques with density functional theory calculations, we demonstrate that efficient C−N coupling is attributed to a tandem system in which the *NH 2 and *CO intermediates produced by the Mo and Co active sites of Mo‐PCN‐222(Co) stabilize the formation of the *CONH 2 intermediate. This study provides an effective avenue for the design and synthesis of tandem catalysts for electrocatalytic urea synthesis.
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