Elucidating Relay Catalysis on Copper Clusters With Satellite Single Atoms for Enhanced Urea Electrosynthesis

电合成 继电器 催化作用 卫星 尿素 化学 纳米技术 材料科学 物理 电化学 物理化学 电极 天文 有机化学 功率(物理) 量子力学
作者
Xinyue Ma,Baoguang Mao,Zhong‐Zhen Yu,Dan Wang,Jing Xia,Jianhua Hou,Xiangmin Meng,Husitu Lin,Chuangang Hu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
被引量:8
标识
DOI:10.1002/anie.202423706
摘要

Relay catalysis represents significant efficacy in alleviating competition among different reactants during coupling reactions. However, a comprehensive understanding of the reaction mechanism underlying relay catalysis for the urea electrosynthesis remains challenging. Herein, we have developed a catalyst (CuAC-CuSA@NC) comprising Cu atomic clusters (CuAC) with satellite Cu─N4 single atoms (CuSA) sites on the nitrogen-doped porous interconnected carbon skeleton (NC), enabling elucidation of a relay catalysis process for co-reduction of CO2 and NO3 -. The designed CuAC-CuSA@NC catalyst exhibits an approximately threefold higher urea yield rate compared to that of CuSA@NC at -1.3 V versus RHE. Ex-situ experimental results and in-situ attenuated total reflection surface-enhanced infrared absorption spectroscopy analysis reveal a formation sequence between the *NH2 and *NH2CO species on CuAC-CuSA@NC with increasing reduction potential. The combination of theoretical calculations further elucidates that the relay catalysis pathway involves "CuAC" sites facilitating the conversion of *NO3 to *NOx, followed by a hydrogenation process to form *NH2 with *H from water dissociation promoted by "CuSA" sites, which subsequently couples with *CO2 to produce urea. This work provides novel insights into the investigation of coupling reactions, but not limit to, urea synthesis.
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