【创新前沿】Advanced Materials 报道我校全太阳能驱动尿素合成研究新进展

近日，我校化学与分子工程学院张金龙教授团队在太阳能驱动二氧化碳与硝酸盐协同转化制备尿素研究中取得新进展，相关成果以“Segregation-Engineered Polarization Synchronizes CO₂ and NitrateReduction for Bias-Free Urea Synthesis”为题，发表于《先进材料》（AdvancedMaterials，2026，e73759.https://doi.org/10.1002/adma.73759）。

尿素是农业生产与化学工业领域最为重要的含氮化学品之一。传统工业尿素合成通常依赖Haber-Bosch过程制备氨，再经Bosch-Meiser过程与CO₂反应生成尿素，存在能耗高、反应条件苛刻、碳排放压力大等诸多问题。近年来，光电化学技术为绿色尿素合成提供了全新路径，其中通过协同还原CO₂和硝酸盐（NO₃^-）直接构建C–N键并生成尿素的技术路线，兼具碳资源利用、含氮废水治理、推动绿色氮循环等多重优势。然而，该反应涉及CO₂还原、硝酸盐还原、多步质子耦合电子过程以及C–N键偶联等多个复杂反应步骤，易受到析氢、硝酸盐深度还原、CO₂还原等副反应的竞争干扰。因此，如何在温和条件、低偏压甚至无外加偏压条件下实现CO₂与NO₃^-的共还原，并达成二者反应速率的有效协同与精准匹配，是实现高效光电化学尿素合成面临的核心挑战。

围绕这一挑战，团队提出了一种“偏析工程化极化”策略，在p型硅光阴极表面负载了具有纳米尺度相偏析特征的Pd–Cu催化层，形成Si/Pd–Cu光阴极(图a)。研究发现，通过金属辅助化学蚀刻法得到的Pd–Cu纳米颗粒并非均一合金，而是由Cu富集区、Pd富集区、低结晶Pd–Cu合金及氧化Pd–Cu物种共同组成的多相偏析结构(图b和图c)。这种结构在不同尺度上产生协同作用：一方面，Cu富集区域与p-Si界面形成类似Schottky结的能带弯曲，有利于增强内建电场并促进光生电子从硅基底向催化层转移；另一方面，Pd富集区域中形成Pd^δ+–Cu^δ−极化位点，可同时调控CO₂衍生中间体和NO₃⁻衍生中间体的吸附与活化，从而促进C–N偶联过程(图d)。活性测试结果表明，优化后的Si/1Pd–3Cu光阴极在AM 1.5 G光照下表现出优异的光电化学尿素合成性能。在0 V vs. RHE条件下，该电极的尿素法拉第效率接近100%，初始尿素分电流密度达到1.06 mA cm⁻²，选择性显著优于多数已报道的CO₂/NO₃⁻共还原体系(图e)。在此基础上，团队进一步对Si/1Pd–3Cu光阴极进行超薄碳层包覆以提升稳定性，并与BiVO₄光阳极及钙钛矿光伏电池组装成串联光电化学器件，实现了无外加偏压条件下的太阳能驱动尿素合成(图f)。原位表征和理论计算结果表明，Cu富集区域有助于形成Cu–O/Cu–CO相关活性物种并促进多电子还原过程；Pd富集区域则更有利于稳定*CO₂、*NO₃⁻/*NO₂及HO–C(=O)–NH₂等关键中间体，并显著降低C–N偶联和后续加氢步骤的能垒(图g和图h)。该研究不仅构建了适用于温和条件下太阳能驱动尿素合成的高效硅基光阴极材料，还揭示了半导体/金属界面极化与双金属活性位点极化在多底物、多电子反应中的协同调控机制，为高效光电催化C–N偶联体系的设计提供了新的思路。

图片说明：基于偏析工程化极化的高选择性硝酸盐与二氧化碳共还原尿素合成

该论文以华东理工大学为唯一通讯单位,博士研究生庄炜杰和阚淼副教授为论文共同第一作者，阚淼副教授、张金龙教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、上海市教育委员会创新计划、上海市科学技术委员会项目以及中央高校基本科研业务费等项目支持，也得到绿色化工与工业催化国家重点实验室以及上海多介质环境催化与资源化工程技术研究中心的技术支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73759