近日，华东理工大学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，相关成果发表于《先进材料》。
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。
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)。
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。
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。