工业尿素合成由两个连续的过程组成，氮 + 氢 → 氨，然后是氨 + 二氧化碳 → 尿素。通过跳过氨合成过程，碳源（二氧化碳）和氮源（氮、亚硝酸盐、硝酸盐）的电催化偶联可能是实现高效尿素合成的一种有前景的替代方法；在这种情况下，可以将两个高能耗、高污染的工业步骤优化为一个可再生能源驱动的电催化过程。

有鉴于此，湖南大学王双印教授和Chen Chen等人，综述了绿色尿素合成的研究进展，重点介绍了环境条件下碳源和氮源电催化耦合直接合成尿素的研究进展。综述了电催化尿素合成的机理研究，并对电催化尿素合成的未来发展方向进行了展望。电催化C-N偶联反应实现了资源的高效利用，为分子偶联反应提供了指导和参考。

本文要点

1）C-N键电催化偶联尿素合成是工业尿素合成过程的一种节能环保的替代方案。通过电催化剂的合理设计和催化体系的优化，实现了资源的有效利用，扩大了电催化的应用范围。然而，目前电催化尿素合成的反应机理存在争议，难以从理论上指导高效催化剂的设计。同时，归因于尿素形成的活性位点和中间体仍不确定。

2）展望了尿素合成电偶联技术存在的问题及今后的研究方向。1)氮与二氧化碳偶联制备尿素时，氮分子具有较高的化学惰性和非极性，比二氧化碳分子更难吸附和活化;因此，在催化剂设计中应优先考虑氮的催化活性。氮还原反应与电催化尿素合成的研究是相辅相成的。2) 尿素合成的反应机理不能追溯推论，只能通过对比实验。有必要发展和应用先进的原位表征技术，阐明尿素合成反应的机理和确定电催化活性位点，包括研究各反应物的吸附和活化位点、偶联反应位点、中间体相互作用机制、和驱动力。3)有必要研究和分析各亚反应(二氧化碳还原、氮还原、亚硝酸盐/硝酸盐还原)的反应路径、产物选择性对尿素合成电催化性能的影响，从而指导尿素电催化剂的合理设计。同时，还应从催化体系优化的角度来提高尿素合成的性能，例如应用具有高气体溶解度的离子液体作为电解质以及反应器的设计，提高尿素合成的性能。4)需要调节和平衡碳物种和氮在催化剂表面的吸附行为，需要研究偶联的驱动力和活性位点的识别。

参考文献：

Chen Chen et al. Electrocatalytic C–N Coupling for Urea Synthesis. Small Science, 2021.

DOI: 10.1002/smsc.202100070

https://doi.org/10.1002/smsc.202100070