Kinetically matched C–N coupling toward efficient urea electrosynthesis enabled on copper single-atom alloy

电合成 尿素 合金 联轴节(管道) Atom(片上系统) 电化学 材料科学 化学 电极 计算机科学 物理化学 生物化学 冶金 嵌入式系统
作者
Mengqiu Xu,Fangfang Wu,Ye Zhang,Yuanhui Yao,Genping Zhu,Xiaoyu Li,Liang Chen,Gan Jia,Xiaohong Wu,Youju Huang,Peng Gao,Wei Ye
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1): 6994-6994 被引量:193
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42794-2
摘要

Abstract Chemical C–N coupling from CO 2 and NO 3 – , driven by renewable electricity, toward urea synthesis is an appealing alternative for Bosch–Meiser urea production. However, the unmatched kinetics in CO 2 and NO 3 – reduction reactions and the complexity of C- and N-species involved in the co-reduction render the challenge of C–N coupling, leading to the low urea yield rate and Faradaic efficiency. Here, we report a single-atom copper-alloyed Pd catalyst (Pd 4 Cu 1 ) that can achieve highly efficient C–N coupling toward urea electrosynthesis. The reduction kinetics of CO 2 and NO 3 – is regulated and matched by steering Cu doping level and Pd 4 Cu 1 /FeNi(OH) 2 interface. Charge-polarized Pd δ– -Cu δ+ dual-sites stabilize the key *CO and *NH 2 intermediates to promote C–N coupling. The synthesized Pd 4 Cu 1 -FeNi(OH) 2 composite catalyst achieves a urea yield rate of 436.9 mmol g cat. –1 h –1 and Faradaic efficiency of 66.4%, as well as a long cycling stability of 1000 h. In-situ spectroscopic results and theoretical calculation reveal that atomically dispersed Cu in Pd lattice promotes the deep reduction of NO 3 – to *NH 2 , and the Pd-Cu dual-sites lower the energy barrier of the pivotal C–N coupling between *NH 2 and *CO.
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