基于光谱电化学的铜钴催化剂对CO2与亚硝酸盐共同电催化合成尿素的机理洞见

把废气变成肥料

尿素肥料是现代农业的基础，但传统的生产方式耗能大且碳排放高。本文探索了一种截然不同的路径：用电力将二氧化碳（CO2）和含氮废弃物（例如来自排放或废水的亚硝酸盐）直接转化为尿素。对普通读者而言，这一思路的吸引力显而易见：一条可减少排放、利用废物流作为原料，并可以由可再生电力驱动的必需肥料生产路线。

为什么要重新思考尿素的制备方式？

如今，尿素大多通过先用氮气和化石能源来源的氢气制备氨（哈伯—博世工艺），再在高温高压下将氨与CO2反应制得。这个反应链高度集中、资本密集，且每生产一吨尿素就排放近一吨CO2。随着全球肥料需求增长，环境代价也随之增加。一种替代方案是完全绕过化石燃料，用电力——最好是可再生电力——驱动关键化学步骤，并利用目前被视为废物的CO2和氮氧化物（NOx）作为原料。

铜与钴的新角色

作者制备了通过共溅射将铜（Cu）与钴（Co）薄膜沉积到碳纸上的催化剂，并精细调控Cu:Co比例。他们聚焦于在中性pH水溶液中同时对CO2和亚硝酸盐（NO2⁻）进行电化学还原，这一条件有利于形成制造尿素所需的碳—氮（C–N）键。表现最好的组成是1:1的Cu–Co混合物，在适度施加电压下，催化剂的尿素产率约为每克催化剂每小时61毫摩尔。显微镜和X射线测量显示金属在原子尺度上混合紧密，并在运行过程中大部分保持金属态，为CO2和亚硝酸盐的高效反应提供了稳健的平台。

催化剂如何分工协作

用这种方法制备尿素具有挑战性，因为更简单的反应——如析氢或单独还原CO2或亚硝酸盐——会强烈竞争。研究者发现关键在于铜位点与钴位点之间的“分工协作”。电化学测试表明，单独的铜主要把CO2还原成含碳燃料和化学品，而单独的钴主要把亚硝酸盐还原为氨，二者均不产尿素。只有当Cu与Co原子紧密混合时，才观察到显著的尿素生成。反应中采集的光谱“快照”检测到表面键合的特征碎片：来自CO2的碳物种（*CO 和 *COOH）更倾向于结合在铜上，而来自亚硝酸盐的含氮物种（*NH2 及相关基团）更倾向于结合在钴上。在Cu与Co的边界处，这些碎片可以相遇并偶联，形成尿素的C–N骨架。

为键合找到合适的条件

研究显示，仅靠成分还不够；周围的电解液和膜也必须调控到位。尿素仅在中性碳酸氢盐电解质中出现，该环境既保持足够的溶解CO2可用，又提供恰到好处的质子（氢离子）以驱动“质子耦合电子转移”步骤，而不会使表面被过量的析氢反应淹没。在强酸性或强碱性条件下，尿素要么无法形成，要么很快分解为更简单的产物。使用不同氮源的实验表明，亚硝酸盐对尿素形成尤为有效，优于硝酸盐和羟胺。长时间的测试表明，Cu–Co薄膜相对稳定，仅有适度的金属损失并能维持尿素产出。

用理论窥探催化机理

为理解为什么这种串联催化剂能如此有效，研究团队借助基于密度泛函理论的计算机模拟。这些计算支持了铜更容易结合CO2衍生物，而钴更易活化亚硝酸盐并稳定含氮碎片的观点。模拟指出一个特定步骤是能垒瓶颈：将来自亚硝酸盐的*NH2 碎片与来自CO2的*COOH 碎片偶联，形成一个中间体通常写作 *NH2CO。一旦该中间体形成，后续通往尿素的步骤相对容易。与纯铜或纯钴相比，Cu–Co界面降低了这一关键偶联步骤的能量代价，解释了实验上双金属体系尿素产率提高的现象。

从实验室洞见走向更绿色的肥料

在实际层面上，这项工作尚不足以取代现有的大型尿素工厂，但它阐明了未来电化学路线如何设计。通过展示铜与钴可以协同工作——一个提供活化的碳物种，另一个提供活化的氮物种，并在精细控制的质子条件下共同作用——该研究为面向更清洁、可能去中心化的尿素生产描绘出一条现实可行的路径，使CO2和氮废物流成为资源而非污染物。

引用: Ramadhany, P., Trần-Phú, T., Yuwono, J.A. et al. Spectroelectrochemical insight into copper cobalt catalysts for CO₂ and nitrite co-electroreduction to urea. Nat Commun 17, 1776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68481-6

关键词: 电化学合成尿素, 铜钴催化剂, CO2 利用, 亚硝酸盐还原, C–N 键偶联