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尿素[CO(NH₂)₂]是養活世界上一半以上人口的重要肥料，主要是用氨(NH₃)和二氧化碳(CO₂)合成的。其中，Haber-Bosch法在NH₃工業生產中仍占主導地位，其中約80%的氨為尿素合成提供原料。這種過程涉及在惡劣條件下(100-200 bar和400-500°C)運行的能源密集型反應，占全球能源消耗的2%以上。為了減少對化石燃料的依賴，從而降低環境污染，人們投入了巨大的精力來開發創新路線，使NH₃在更溫和的條件下合成，比如eNRR，但是該領域進展緩慢，產率和選擇性都不高。因此直接生成尿素也成為一種替代反應，受到人們的關注。

2020年，湖南大學教授王雙印教授在Nature Chemistry上發表論文，利用電催化方法將N₂和CO₂在H₂O中偶聯，在環境條件下生成尿素。該過程是在TiO₂納米片上使用由PdCu合金納米顆粒組成的電催化劑進行的。這種偶聯反應通過*N=N*與CO之間的熱力學自發反應生成C-N鍵。用同位素標記對產物進行了識別和定量，并用同位素標記的同步輻射傅里葉變換紅外光譜研究了機理。尿素的生成速率為3.36 mmol g^-1 h^-1，相應的法拉第效率為8.92%。

四個團隊精誠合作！Nature Sustainability：電合成尿素大突破，新方法實現高產量！

盡管使用的電催化劑實現了有效的C-N偶聯，但此工作仍然需要打破氮的N≡N鍵，面臨著與氮氣還原相似的問題。因此法拉第效率并不高，產量也非常有限。

為了改進以上工作，德州大學奧斯丁分校余桂華教授、南洋理工大學顏清宇教授/李述周教授、中科大宋禮教授等人合作，在Nature Sustainability上發表重要工作，作者在此報道了一種更可持續的電催化方法，該方法允許在環境條件下用氫氧化銦催化劑直接和選擇性地從硝酸根和二氧化碳中合成尿素。結果表明，在-0.6 V（VS RHE）電位下，法拉第效率、氮選擇性和碳選擇性分別達到53.4%、82.9%和~100%，產量為533.1 μg h^?1 mg_cat.^?1（尿素分子量為60，可以自行轉換一下，和Nature Chemistry對比一下性能）。

理論計算表明，C-N偶聯的關鍵步驟是由*NO₂和*CO₂中間體之間的反應引起的，*NO₂和*CO₂中間體傾向于早期在{100}晶面上直接耦合，而不是在{110}晶面上，因為{100}面上的能量勢壘較低，這導致了In(OH)₃的面依賴活性。

與單獨的*NO₂或*CO₂質子化形成鮮明對比的是，直接耦合*NO₂和*CO₂時的較低能壘使選擇性高。利用原位同步輻射傅里葉變換紅外光譜（operando SR-FTIR），驗證了早期C-N耦合機理。該研究還表明，CO₂可以通過誘導In(OH)₃催化劑表面的n-p轉化來抑制HER過程，從而促進尿素的生產。

這項工作為尿素的生產提供了一條吸引人的途徑，并為C-N偶聯反應的潛在化學性質提供了深刻的見解，從而指導其他不可或缺的化學物質的可持續合成。