Новый катализатор повышает эффективность экологичного синтеза мочевины

Исследовательская группа из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук создала одноатомный медный катализатор (Cu-N₃ SAs) с азотной координационной структурой. В качестве носителя учёные использовали двумерный g-C₃N₄, полученный пиролизом меламина, что позволило достичь эффективного электрокаталитического синтеза мочевины в мягких условиях.

Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Мочевина в основном синтезируется с помощью энергоёмкого и высокозагрязняющего процесса Бош-Майзера. Поэтому крайне важно разработать устойчивые методы синтеза мочевины, работающие на чистой энергии. Однако синтез мочевины путём электрокаталитического совместного восстановления CO₂ и NO₃^– до сих пор сталкивается со многими проблемами, включая многоэлектронные реакции, сложные механизмы C–N-сопряжения и конкурирующие побочные реакции. Эти факторы значительно снижают эффективность синтеза мочевины.

В данном исследовании учёные использовали двумерный носитель g-C₃N₄, полученный пиролизом меламина, для стабилизации атомов меди в структуре Cu–N₃. Применяя тандемный метод пропитки-пиролиза, они создали одноатомные медные электрокатализаторы (Cu–N₃ SAs). Передовые методы характеризации, включая спектроскопию тонкой структуры рентгеновского поглощения (XAFS) и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), подтвердили точную атомную структуру и электронное состояние катализаторов.

Катализаторы Cu–N₃ SAs продемонстрировали исключительную активность, достигнув выхода мочевины 19 598 ± 1 821 мг·ч⁻¹·мгCu⁻¹ и фарадеевской эффективности 55,4% при -0,9 В. Дальнейшие исследования с помощью инфракрасной спектроскопии in situ, масс-спектрометрии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии показали, что в условиях реакции центры Cu–N₃ динамически реконструируются в конфигурацию N₂–Cu–Cu–N₂, что значительно повышает производительность синтеза мочевины.

Дополнительные расчёты метода функционала плотности (DFT) показали, что эта реконструкция происходит внутри кольцевой структуры однослойного g-C₃N₄. Образующаяся бицентровая медная структура усиливает адсорбцию CO, ускоряет многоэлектронный перенос и снижает энергетический барьер для образования ключевого промежуточного продукта *CONH — первого этапа C–N-сопряжения в производстве мочевины.

По словам исследователей, это исследование предоставляет важное теоретическое руководство для понимания динамической эволюции фактических каталитических активных центров в эффективном электролизе мочевины.

Дополнительная информация: Цзяфан Лю и др., In‐Situ Electrochemical Reconstruction of Copper Single‐Sites to Dual‐Sites for Ambient Urea Synthesis, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202509385