Polycation-functionalized interface enable in situ capturing of CO2 and filtering of proton for efficient C-N coupling toward highly selective urea electrosynthesis

电合成 电催化剂 尿素 催化作用 选择性 电化学 法拉第效率 化学 化学工程 无机化学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Zhichao Wang,Mengfan Wang,Qiyang Cheng,Yanzheng He,Yuzhuo Jiang,Sisi Liu,Tao Qian,Jie Xiong,Chengtao Yang,Chenglin Yan
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:492: 152161-152161 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.152161
摘要

Electrochemical co-reduction of CO2 and nitrate provides a novel route to convert waste emissions into value-added chemicals such as urea. However, at the actual reaction interface, the insufficient supply of CO2 reactants as well as the excessive coverage of proton and nitrate on the electrocatalyst surface usually lead to complex product distributions from individual hydrogen evolution or nitrate reduction as side reactions, instead of C-N coupling. Here, we rationally optimize this interface by polycation functionalization, forcing highly selective urea electrosynthesis. The abundant polyamine nodes within the functional layer are conductive to in situ capturing of CO2 and filtering of proton, which pertinently control the reagent concentration to promote the selective C-N coupling and inhibit the undesired side reactions. When this tailored interface is coupled with efficient electrocatalyst with neighboring active sites, the proof-of-concept system delivers a maximum urea generation yield rate of 1254.2 μg h−1 mg−1 along with a Faradaic efficiency of 83.4 %, as well as outstanding Nurea-selectivity of 91.3 % and Curea-selectivity of nearly 100 %, which is one of the most selective urea generation systems reported so far. This work provides new insights in regulating the catalysis microenvironment for the improvement of overall performance in electrochemical C-N coupling.
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