北京航空航天大学郭林JACS: 非晶氧化铋锡纳米片/rGO用于电催化尿素合成

研究内容

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。

北京航空航天大学郭林组成功研发了非晶氧化铋锡纳米片催化剂，有效抑制了析氢副反应及碳/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%）。该项研究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了技术支持。相关工作以“Amorphous Bismuth-Tin Oxide Nanosheets with Optimized C-N Coupling for Efficient Urea Synthesis”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

1. 制备的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%）。

2. 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

轨道电子态，从而实现了基于吸附态二氧化碳（*CO 2 ）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。

3. 原位X射线吸收光谱的结果揭示了高氧化态的晶体催化剂更倾向于独立的发生NO3-还原合成氨反应，非晶催化剂中低氧化态的Bi和Sn对反应物的吸附能力适中，更适合尿素合成反应。

研究图文

图1 非晶氧化铋锡/rGO纳米片复合催化剂的制备

图2 非晶氧化铋锡/rGO纳米片复合催化剂的电化学尿素合成性能评估

图3 非晶氧化铋锡/rGO纳米片复合催化剂的原位拉曼测试及催化路径解析

图4 原位XAS揭示非晶催化剂与对应的晶体催化剂在电催化尿素合成中的优势

文献详情

Amorphous Bismuth-Tin Oxide Nanosheets with Optimized C-N Coupling for Efficient Urea Synthesis

Xiangyu Chen, Shuning Lv, Hongfei Gu, Hanke Cui, Gui Liu, Yifei Liu, Zhaoyu Li, Ziyan Xu, Jianxin Kang,* Gilberto Teobaldi, Li-Min Liu,* Lin Guo*

Journal of the American Chemical Society

DOI:10.1021/jacs.4c03156