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Fe 2+ /Fe 3+ Redox Modulation in Iron-Based Metal–Organic Frameworks for Efficient C–N Coupling in Electrocatalytic Urea Synthesis

尿素 法拉第效率 产量(工程) 催化作用 氧化还原 联轴节(管道) 电化学 合理设计 化学 分子 金属 组合化学 偶联反应 功能(生物学) 工作(物理) 溶剂 还原(数学) 原位 无机化学 过渡金属 材料科学 化学工程 小分子 调制(音乐) 电导率 反应机理 纳米技术 机制(生物学)
作者
Jieyao Song,Ge Dong,Jun-Ru Tian,Junjian Li,Wen-Yi Zhou,Qianqian Xu,Z. C. Wang
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c06370
摘要

Designing efficient catalysts for the electrocatalytic coreduction of CO2 and N2 into urea remains challenging due to the sluggish activation of both molecules and the complex C-N coupling process. Herein, we report an iron-based metal-organic framework (Fe-MOF) system in which the ratio of Fe2+/Fe3+ active sites is modulated via solvent regulation to promote synergistic catalysis. Structural and spectroscopic analyses confirm that Fe-MOF-1, prepared in ethanol, possesses a higher Fe2+/Fe3+ ratio (0.91) than Fe-MOF-2 (0.56), leading to enhanced electronic conductivity and charge-transfer efficiency. Fe-MOF-1 exhibits a urea yield rate of 3.02 mmol h-1 g-1 with a Faradaic efficiency of 10.4% at -0.71 V (vs RHE), outperforming Fe-MOF-2. In situ FT-IR analysis reveals the generation of *COOH, *NH2, and C-N intermediates, confirming the occurrence of C-N coupling on Fe-MOF-1. The cooperative function of Fe2+ and Fe3+ centers facilitates simultaneous CO2 reduction and N2 activation, enabling efficient urea synthesis under mild conditions. This work provides mechanistic insights and a rational design strategy for dual-valence metal sites toward sustainable C-N coupling catalysis.
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