传统的尿素（CO(NH2)2）生产依赖于能源密集型工艺，每年消耗的能源约占全球能源的2%，同时消耗了全球约80%的NH3。最近的研究表明，N2与CO2的电催化偶联为在环境条件下直接生产CO(NH2)2提供了一幅有前途的途径。
近日，美国得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授、中科大宋礼教授，新加坡南洋理工大学颜清宇、李述周教授报道了在氢氧化铟（In(OH)3）上通过电化学偶联NO3-和CO2实现了高选择性的尿素生产。
文章要点
1）研究发现，In(OH)3催化剂上的{100}面通过*NO2和*CO2中间体之间的反应有利于直接C-N偶联。与基于*NH2与*CO2或*CO反应的机理相比，过早的直接C-N偶联通过降低副产物NH3、N2、CO或HCOOH生成的可能性而显著提高了尿素的选择性。
2）研究人员采用operando同步辐射傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR），揭示了基本动力学的催化剂表面化学。Mott-Schottky（M-S）测量表明，表面吸附的CO2可以捕获电子，使n型In(OH)3具有表面p型半导体行为，降低了竞争性的HER副反应。此外，p-型In(OH)3上的空穴聚集层会排斥质子，从而抑制HER过程。
3）实验结果显示，具有单一{100}面的In(OH)3（In(OH)3-S）催化剂在-0.6 V（vs.RHE）下的平均电催化尿素产率为533.1 μg h−1 mgcat.-1，FE高达53.4%，氮选择性（N尿素）为82.9%，碳选择性（C尿素）为100%，超过了以往的报道。
这项工作提供了一条诱人的尿素生产路线，并对C-N偶联反应的基础化学提供了深刻的见解，可以指导其他不可或缺的化学品的可持续合成。
参考文献
Lv, C., Zhong, L., Liu, H. et al. Selective electrocatalytic synthesis of urea with nitrate and carbon dioxide. Nat Sustain (2021).
DOI: 10.1038/s41893-021-00741-3
https://doi.org/10.1038/s41893-021-00741-3
