在低过电位下由硝酸盐和二氧化碳选择性电合成尿素

把废物变成肥料

现代农业高度依赖尿素肥料，但传统制备方法消耗大量化石燃料并释放大量二氧化碳。本研究探讨了一条更清洁的途径：利用电能和精心设计的材料，在温和条件下将二氧化碳和硝酸盐——两种常见污染物——直接转化为尿素。如果实现规模化，这种工艺有望在减少温室气体排放并更好利用废物流的同时，帮助保障粮食供应。

制造传统肥料的新方法

如今的尿素工厂在高温高压下运行，且依赖先将氮气转化为氨，这一步本身就消耗了全球能源的超过2%。作者试图绕开这条耗能大的路线。他们没有从氮气开始，而是使用存在于农业径流和工业废水中的硝酸盐，并将其与主要温室气体二氧化碳结合。两种物质被送入电化学电池——一个由电力驱动化学反应的装置——在合适催化剂作用下，可以在室温和相对低电压下将它们“缝合”成尿素。

为反应设计有利表面

该装置的核心是由微小颗粒构成的固体催化剂，这些颗粒将银（Ag）与氧化镉（CdO）结合在一起。显微和X射线技术表明，这些颗粒形成了紧密的“异质结构”，金属银与CdO在纳米尺度接触并进行电子交换。这种电子相互作用会微妙地改变各成分与吸附分子的结合方式。在工作条件下，CdO部分会转变为含有缺氧位点的碳酸镉（CdCO₃）。这些氧空位像微小的对接点，有助于捕获和活化二氧化碳，而邻近的银区域则特别擅长吸附来自硝酸盐的含氮物种。

高效且选择性地生成尿素

当二氧化碳和硝酸盐在实验室规模的电池中流经这种Ag/CdO催化剂时，材料以异常低的“过电位”将它们转化为尿素，意味着超过热力学所需电压的额外电压很小。在一个简单的H型电池中，优化过的组成Ag₀.₀₇/CdO在仅−0.10伏（相对于标准参比电极）时可实现约50%的尿素选择性，并且副产物如氨或一氧化碳产量很少。在更先进的流动电池中，气体和液体连续供给，同一催化剂在−0.15伏时实现了约112 mmol·g⁻¹·h⁻¹的高尿素生成速率。通过进一步优化反应器设计和工况，团队在更高电流下将尿素产率推高到约427 mmol·g⁻¹·h⁻¹，同时在连续运行1000小时内保持性能——这是稳定性的重要指标。

催化剂如何引导反应

为弄清该材料为何表现优异，研究人员使用拉曼和红外光谱以及先进的X射线探测技术实时跟踪催化剂与反应中间体。这些测量表明，银位点更倾向于将硝酸盐转化为常以*NO₂表示的反应性中间体，而重构并含有氧空位的CdCO₃则结合二氧化碳并将其转化为*CO这一短寿命中间体。在工作电位下检测到与碳–氮键相关的信号，表明*NO₂与*CO在过程早期就耦合形成类似尿素的物种，而不是分别生成氨或一氧化碳后逸出。计算机模拟支持这一图景，显示银与富含空位的CdCO₃界面降低了这一关键C–N耦合步骤的能垒，使其较之竞争反应更有利。

这对肥料与气候可能意味着什么

总体而言，这项工作证明了经过精心设计的催化剂表面可以在温和条件下并具有长寿命的情况下，引导像二氧化碳和硝酸盐这样的简单废物流沿着节能路线生成尿素。对非专业读者来说，关键结论是团队构建了一种类似“电子过滤器”的机制，优先将碳与氮结合成尿素，而不是让它们以其他产物形式逸散。尽管要实现实际应用仍需解决材料成本、反应器工程以及安全获取镉等问题，这项研究为未来可由可再生电力驱动并与更可持续的碳氮循环相一致的肥料生产提供了蓝图。

引用: Liu, S., Wang, T., Liu, J. et al. Selective electrosynthesis of urea from nitrate and carbon dioxide with low overpotential. Nat Commun 17, 1787 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68497-y

关键词: 尿素电合成, 二氧化碳利用, 硝酸盐还原, 电催化剂设计, 绿色肥料