C─N Coupling Enabled by N─N Bond Breaking for Electrochemical Urea Production

尿素 电化学 材料科学 催化作用 电合成 吸附 放热反应 分子 放热过程 物理化学 有机化学 化学 电极
作者
Junxian Liu,Sean Campbell Smith,Yuantong Gu,Liangzhi Kou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (47) 被引量:79
标识
DOI:10.1002/adfm.202305894
摘要

Abstract Urea electrosynthesis under mild conditions has emerged as a promising alternative strategy to replace the harsh industrial HaberBosch process, which is however limited by sluggish CN coupling and low selectivity. Here, a novel mechanism based on the synergistic effect of NN bond cleavage and CN coupling for highly efficient urea production is proposed. It is found that dual vanadium atoms anchoring onto defective graphene (V 2 N 6 ) can activate the adsorbed *N 2 , in which the stable N≡N bond can be gradually weakened until being broken after two protonation steps, with superior thermodynamic and kinetic feasibility. CO molecules can be easily adsorbed on the dissociated *NH, followed by an exothermic CN coupling to form the urea precursor *NHCONH with a low kinetic energy barrier of 0.20 eV. The dual‐atom V 2 N 6 not only exhibits superior intrinsic activity for urea formation, with a limiting potential of −0.26 V, but also can significantly suppress the competitive N 2 reduction and hydrogen evolution reactions. This study presents a new avenue for developing novel mechanisms and efficient catalysts for urea electrochemical synthesis.
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