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合工大ACS Energy Lett.: 控制CO在串联电极上扩散,促进尿素电合成中间体NH2形成
用于尿素电合成的含氮反应物包括NH3、N2、氮氧化物(NOx)和硝酸盐/亚硝酸盐(NO3−/NO2−)。其中,NH3主要由工业Haber–Bosch工艺生产,该工艺需要高能量投入,每生产一吨NH3排放1.9吨CO2;由于N≡N的键能较高(941 kJ mol-1),N2的活化仍然具有挑战性,限制了其进一步的还原;NOx的生物毒性阻碍了其在尿素电合成中的直接应用。
相比之下,NO3−/NO2−被广泛用作氮源,与CO2还原耦合以有效地电合成尿素。然而,通过与CO2偶联,NO3−合成尿素的路线涉及复杂的质子耦合电子转移步骤,导致尿素电合成的选择性较低,并且C−N偶联的高能垒限制了尿素的电合成效率。因此,设计高活性的催化剂是加速尿素电合成中C−N偶联反应动力学的关键。
近日,合肥工业大学吴玉程、张剑芳和辛辛那提大学吴景杰等设计了一种Cu/ZnO叠层气体扩散电极(GDE),其能够选择性电催化选择性共还原CO2和NO3−合成尿素。具体而言,在尿素合成过程中,CO2还原产生的*CO和NO3−还原产生的*NH2等反应中间体的分布对级联C−N偶联反应速率起着至关重要的作用。
因此,选择用于NO3−还原成NH3的Cu催化剂和用于CO2还原成CO的ZnO催化剂来构建具有Cu和ZnO叠层的串联GDE。在流动池中,ZnO在入口处产生的CO流向Cu下游,促进了NO3−加氢脱氧生成*N中间体,随后生成*NH2中间体。
以前的工作表明,尿素是由*CO和*NH2中间体的C−N偶联产生,尿素的生成速率由RDS动力学决定: rurea=k[*CO][*NH2]2。由于θ*CO和θ*NH2的反应级数均为正,因此提高催化剂表面的θ*CO和θ*NH2可以提高C−N偶联反应速率。在堆叠的GDE中,上游的ZnO在入口处提供高的局部CO浓度,集中的CO转化为高θ*CO,而较高的θ*CO有利于在Cu位点将NO3−还原为*NH2,从而导致较高的θ*NH2,这反过来又促进了向尿素生产的C−N偶联反应。
此外,与传统的纯Cu气体扩散电极相比,堆叠的气体扩散电极由于延长了停留时间而提高了CO和NH2的转化率。因此,在室温条件和−0.3 V电压下,具有最佳ZnO/Cu面积比(Cu1.0/Zn0.5)的叠层GDE上CO2和NO3−共还原为尿素的法拉第效率高达37.4%,产率高达3.2 μmol h-1 cm-2。
Spatial Management of CO Diffusion on Tandem Electrode Promotes NH2 Intermediate Formation for Efficient Urea Electrosynthesis. ACS Energy Letters, 2023. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00824
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3,6,9,12-四草酸酯四癸二酸_CAS:32775-08-9
2024-07-26
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2,2-双(((4-叠氮基-2,3,5,6-四氟苯甲酰基)氧基)甲基)丙烷-1,3-二基双(4-叠嗪基-2,3,6-四氟苯甲酸酯_2,2-bis(((4-azido-2,3,5,6-tetrafluorobenzoyl)oxy)methyl)propane-1,3-diyl bis(4-azido-2,3,5,6-tetrafluorobenzoate)_CAS:157928-53-5
2024-06-24
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(8R,9S,13S,14S)-13-甲基-3-乙烯基 6,7,8,9,11,12,13,14,15,16-十氢-17H 环戊基[a]菲17-酮_ (8R,9S,13S,14S)-13-methyl-3-vinyl6,7,8,9,11,12,13,14,15,16-decahydro-17Hcyclopenta[a]phenanthren-17-one _CAS:151171-58-3
2024-06-24
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松柏醇-7-硝基苯并[c][1,2,5]恶二唑_2-[(E)-3-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)prop-2-enoxy]-N-[2-[(4-nitro-2,1,3-benzoxadiazol-7-yl)amino]ethyl]acetamidel_CAS:1803427-21-5
2024-06-24
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(2E)-N-(1-(3-氯苄基)-1H-咪唑-4-基)-3-(吡啶-3-基)丙-2-烯酰胺_(2E)-N-(1-(3-chlorobenzyl)-1H-imidazol-4-yl)-3-(pyridin-3-yl)prop-2-enamide_CAS:2128292-12-4
2024-06-24
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橙花叔醇葡萄糖苷_β-D-glucopyranosyl-(1->3)-6,7-trans-nerolidol_CAS:116174-71-1
2024-06-24
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(6S)-3-甲基-6-(1-烯-2-基)环己-2-烯醇_(6S)-3-methyl-6-(prop 1-en-2-yl)cyclohex-2-enol_CAS:1313708-57-4
2024-06-24
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(6R)-3-甲基-6-(1-烯-2-基)环己-2-烯醇_(6R)-3-methyl-6-(prop 1-en-2-yl)cyclohex-2-enol_CAS:1647065-98-2
2024-06-24
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乙基紫精二六氟磷酸盐_ethylviologen bis(hexafluorophosphate)_CAS:138926-07-5
2024-06-24
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四羟乙基乙二胺_CAS:140-07-8
2024-06-24
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(S)-2-(乙酰基硫基)丙酸_CAS:167466-66-2
2024-06-24
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TEMPO_CAS:2564-83-2
2024-06-24
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N-Boc-反式-4-氨基-脯氨酸甲酯盐酸盐_CAS:334999-32-5
2024-06-24