结果简介
尿素（NH2CONH2）是农业中应用最广泛的氮肥，也是化学合成中生产脲醛、巴比妥类等精细化学品的重要原料。 目前，尿素的工业合成仍高度依赖传统的Haber-Bosch和Bosch-Meiser工艺，即极端条件下的N2+6H++6E2NH3和2NH3+CO2NH2ConH2+H2O反应。 这两种尿素生产过程不仅消耗了大量的化石能源，还排放了大量的二氧化碳。
因此，探索以可再生能源为动力的尿素生产新技术是社会可持续发展的迫切需要。 中科院固体物理研究所张海民研究员团队、安徽农业大学李珂教授团队、澳大利亚格里菲斯大学赵慧军教授团队以细菌纤维素（BC）为吸附调节剂，制备固定在碳化BC上的PDCU合金纳米颗粒（PDCU CBC）。 合成的PDCU CBC具有微孔和介孔结构，摩尔比为1：1，比表面积为1624 m2 g−1。
在CO2和NO3存在下，PDCU CBC对尿素的合成表现出优异的电催化活性。 在 -0在5 V时，环境条件下的尿素产率（RUREA）可达7638±42.8 μg h−1 mgcat.1.法拉第效率（Fe）为597±3.4%。
理论计算和实验结果均证实，PDCU CBC催化剂具有良好的内部电子转移特性，为CO2和NO3的吸附和活化提供了钯铜双活性位点，生成的活性中间体*NO2和*CO2促进了C-N偶联反应。 本研究结果对高效c-n电化学偶联脲电催化剂的设计与开发具有一定的指导意义。
相关研究成果发表在EES Catalysis上，题目为〈High-efficient electrosynthesis of urea over bacterial cellulose regulated PD cu bimetallic catalyst〉。
**导读
以细菌纤维素（BC）为吸附调节剂，采用湿化学浸渍和碳化固固相结合的方法合成了PDCU CBC，并通过多种测试方法对其进行了表征。
扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和X射线能量色散光谱结果表明，PDCU纳米颗粒均匀分布在BC碳化物衬底上电感耦合等离子体原子发射光谱分析结果表明，催化剂中PDCU的摩尔比为1：1;X射线光电子能谱结果表明，PDCU合金的形成有利于PD与Cu之间的内部电子转移，有利于电催化反应。
作者发现，随着CO2的引入，电流密度显著降低，这意味着NO3还原反应（NO3RR）和析氢反应（HER）被有效抑制，从而促进了尿素合成的C-N偶联反应。
同时，PDCU CBC在-0在 5 V 条件下，Rurea 可以达到 7638±42.8 μg h−1 mgcat.1、FE为597±3.4%。此外，在 -0在5 V下进行电位扫描测试，连续8次循环得到的Rurea和Fe变化不大，表明PDCU CBC具有良好的循环稳定性。
1H NMR谱图表明，14NH3 15NH3产物的化学位移与标准14NH2CO14NH2 15NH2CO15NH2的化学位移完全相同。 在13C NMR谱图中，电解2 h后的样品在162在6 ppm下检测到典型的14NH2CO14NH2 15NH2CO15NH2信号。
同步辐射原位红外（SR-FTIR）结果表明：，1685和1176 cm-1处的吸收峰在-NH2的弯曲振动处，在增加电位处的新吸收峰**在C-N的伸缩振动处。 此外，拉曼光谱中N-C-N拉伸振动峰的强度随时间的增加而显著增加，表明CO2与NO3之间的耦合反应随时间的增加逐渐发生。 这些结果证实了作者在PDCU CBC上成功的C-N偶联。
在实验的基础上，作者进行了进一步的理论研究。 Bader电荷分析表明，PDCU CBC中PD和Cu位点之间存在显著的电子转移，改变了金属及其D波段中心的电子状态。 此外，作者还比较了PDCU CBC、原始PD以及原始CU的PD-4D和Cu-3D轨道的投影态密度，发现由于电荷转移引起的电子分布调制，D波段中心的位置不同。
同时，D波段的中心值增大，这意味着PDCU纳米合金比单金属PD或Cu可以提供更多的D波段，有利于CO2和NO3的强吸附和活化，产生相应的活性中间体，促进C-N偶联反应。
书目信息
high-efficiency electrosynthesis of urea over bacterial cellulose regulated pd–cu bimetallic catalyst, ees catal., 2023, 1, 45.