隨著世界人口的增加，尿素作為一種商業氮肥，將成為農業生產力的一個日益增長的組成部分。工業尿素生產主要依賴于NH₃和CO₂在苛刻條件下的耦合，這一過程能耗大，在世界范圍內是一個多循環過程，氨的消耗量巨大造成了額外的能源和環境問題。光催化作為一種可持續發展的技術，有望為在溫和條件下利用N₂、CO₂和H₂O 直接綠色合成尿素提供一個新的視角。然而，光催化電子轉移效率低下的問題嚴重阻礙了其可行性，特別是在上述多電子需求的尿素合成方面。

因此，中國科學院理化所趙運宣和張鐵銳（共同通訊）等人報道了利用 TiO₂固定可逆單原子銅（Cu SA-TiO₂）加速電子轉移動力學的有效策略，以提高N₂、CO₂和H₂O中尿素的光合作用性能。

本文報告的基于TiO₂光催化劑，Cu SA-TiO₂可以加速電荷轉移動力學，用于在純H₂O存在下使用N₂和CO₂分子輕度光催化合成尿素，產量高達432.12 μg g_cat^-1。通過系統的研究（如準原位電子順磁共振和飛秒時間分辨的光生電子動力學等測試），揭示了設計的Cu SA-TiO₂中單原子銅的可逆性及其誘導的光生電子的快速提取率。

與Cu SA-TiO₂相比，Cu⁰ -TiO₂在輻照前后和再生后的最大電子提取時間幾乎恒定（~4.30 ms），明顯缺乏加速光生電子提取速率的可逆性或可恢復性。Cu SA-TiO₂的快速提取光生電子（比參考光催化劑快30倍以上）將使 Cu SA-TiO₂的改善性能合理化，以確保豐富和連續的光生電子和富含電子的Cu位點用于分子活化（例如 N₂，CO₂和 H₂O）和 C-N耦合，確保了N₂、CO₂和H₂O對多電子需求的尿素光合作用的供應，從而促進了尿素光合作用。

合成尿素工業對氨的高度依賴和高耗能的多步反應過程嚴重阻礙了工業的可持續發展。針對這些問題，提出了在溫和條件下，在純H₂O中直接光催化N₂和CO₂合成綠色尿素的方法，從根本上避免了對氨的高度依賴，簡化了合成過程。這項工作證明了可逆單原子Cu加速電子轉移動力學提高了利用太陽能的尿素光合作用，為人工尿素光合作用和其它多電子需求的光催化反應提供了一條高效、有前景的途徑。

Accelerating electron-transfer dynamics by TiO₂ -immobilized reversible single-atom copper for enhanced artificial photosynthesis of urea, Adv Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202207793.

https://doi.org/10.1002/adma.202207793.