中国科学技术大学章根强Nature子刊：构建Cu/Cu2O异质界面，实现高效尿素电合成！

Cu基材料已经被开发成为一类CO₂RR催化剂，通过对C-C偶联的真实活性位点进行化学境控制来产生多碳产物。最近，一些工作证明了通过工程化其电子结构来激活Cu基催化剂用于尿素电合成的C-N偶联能力的可能性。这激发了人们通过工程化Cu基催化剂探索更高效的C-N偶联路径，以进一步推动尿素电合成的产率和法拉第效率的极限。

当前阶段的主要瓶颈问题包括：(i)探索一种可扩展且经济高效的策略，用于操纵Cu基催化剂中的活性位点，以激活独特但有利于能量的C-N耦联路径；(ii)对底层催化机理进行系统而深入的研究，以制定有效的开发方案；(iii)对双电极系统中尿素电合成的实用性进行概念验证。

近日，中国科学技术大学章根强课题组发现了一种独特的CO*和NOH*中间体用于尿素电合成的C-N耦合途径。这种途径是通过原位电化学还原Cu₂O来构建Cu/Cu₂O异质界面来实现的。

在这种途径中，优化的h-Cu/Cu₂O MPs催化剂具有高的电化学性能，在-0.3 V_RHE时的尿素平均产率为632.1 μg h^-1 mg_cat.^-1，法拉第效率高达42.3%，氮选择性和碳选择性约70%。

此外，i-t测试12小时后h-Cu/Cu₂O MPs的性能未发生明显下降，证实了在测试环境下(中性至略碱性，电位-0.2至-0.6 V_RHE)，h-Cu/Cu₂O MPs的性能受到的影响很小。

利用Operando同步射辐-傅里叶变换光谱(SR-FTIR)和原位拉曼光谱，揭示了C-N化学键的形成，并阐明了在尿素合成的电化学耦合级联过程中C和N中间体的动态变化。具体而言，h-Cu/Cu₂O MPs对NOH*中间体的形成有效，导致Cu/Cu₂O异质界面上产生大量的NOH*和CO*中间体，这些中间体也作为C-N耦合的活性位点，导致尿素形成的低能垒。

密度泛函理论(DFT)计算表明，与纯Cu或Cu₂O相比，Cu/Cu₂O异质界面处的电子转移不仅产生更多的热中性自由键能(ΔG_H*)，而且还形成独特的C-N活性位点。作为实用性的概念验证论证，该电极与肼氧化反应(HzOR)相结合可将总电流提高约10倍(从5到50 mA cm^-2)，使得阴极尿素产量增加至883.6 μg h^-1 mg_cat.^-1。

Surface engineering on bulk Cu₂O for efficient electrosynthesis of urea. Nature Communications, 2025.DOI: 10.1038/s41467-025-57708-7