通过高效绿色的电化学工艺生产高附加值化学品被认为是可以代替基于化石燃料的传统生产技术的理想方法之一。尿素是养活世界上一半以上人口的重要农业肥料，同时也是工业生产中必不可少的反应原料。然而其目前的制备工艺主要依靠高耗能高污染的Bosch-Meiser法，如果能够使用电化学的方法将有害或无用的小分子（CO₂和NO₃^-）进行电催化还原及C-N耦合，将可能实现水溶液中尿素的直接制备。然而，在水相体系中，碳/氮基小分子的电化学还原反应一直被严重的析氢副反应困扰，同时碳、氮中间产物的C-N耦合过程效率偏低，共同导致了较低的产物转化效率，阻碍了尿素的高效制备。

  本工作中成功研发了非晶氧化铋锡纳米片催化剂，有效抑制了水溶液环境中析氢副反应及碳/氮基小分子的单独还原，实现了高效的C-N耦合过程，最终同时获得了优异的尿素合成法拉第效率（78.36%）、氮选择性（90.41%）和碳选择性（95.39%）。原位拉曼光谱测试及理论计算发现，非晶氧化铋锡纳米片的构筑有效地调控了催化剂的p轨道电子态，从而实现了基于吸附态二氧化碳（*CO₂）而不是传统的吸附态二氧化碳（*CO）为关键中间体的C-N耦合过程。这一反应路径的优化，抑制了CO₂转化为HCOOH和CO等副产物反应的发生，提高了碳选择性和整体反应效率，为基于小分子转化的尿素的高效制备提供了理论支持。

  该工作基于多电子-多步骤电化学反应催化剂的研发，为通过有害或无用的小分子转化实现高附加值化学品的合成提供了借鉴，为自然界的碳循环和氮循环的人工闭环提供技术支持。

Xiangyu Chen, Shuning Lv, Hongfei Gu, Hanke Cui, Gui Liu, Yifei Liu, Zhaoyu Li, Ziyan Xu, Jianxin Kang,* Gilberto Teobaldi, Li-Min Liu,* and Lin Guo*. Amorphous Bismuth–Tin Oxide Nanosheets with Optimized C–N Coupling for Efficient Urea Synthesis. Journal of the American Chemical Society. 2024, 146(19): 13527-35.

https://doi.org/10.1021/jacs.4c03156