在分层点击位点上通过顺序链耦合实现高选择性尿素电合成

把废物变成植物养料

尿素肥料养活着全球的作物，但用传统方法制造尿素需要燃烧大量化石燃料并释放大量二氧化碳。本研究探索了一条不同的路径：使用电力——优先来自可再生能源——将废气和污染水中的碳与氮拼接成新的尿素分子。借鉴“点击化学”的思想，作者设计了一种智能催化剂，能将这些原料干净高效地拼接在一起，指向更绿色的肥料生产和更好地利用工业废物流。

为何要重新思考尿素的制造方式？

当今的尿素生产依赖于已有百年历史的高温高压工艺，该工艺消耗多达全球能量的2%，并且每生产一吨尿素就排放超过一吨二氧化碳。与此同时，发电厂、工厂和废水排放的二氧化碳与硝酸盐污染往往未被利用或造成环境危害。电化学尿素合成提供了一种两全其美的方式：在室温下清除CO2和硝酸盐的同时生产有价值的肥料。问题在于，在金属表面的分子尺度上，含碳和含氮的碎片往往各自为政，生成许多副产物而不是整齐地组合成尿素。

受点击化学启发的分子装配线

研究人员从点击化学获得灵感，这是一套因能快速、有选择性且废物最少地将分子片段拼接在一起而受青睐的反应工具箱。他们将这一思想转化到电极表面，构建了一种基于氧化铟并经硒原子温和修饰的“分层点击位点”催化剂，称为Se–InOx。该设计在同一表面上创造了两个顺序阶段。在第一阶段，催化剂强烈偏好从溶液中抓取硝酸盐并将其转化为稳定的类亚硝酸片段，同时有意拒绝结合进入的CO2。在第二阶段，该被锚定的氮片段自身成为一个对接点，鼓励CO2随后进来并连接，形成通向尿素的关键碳–氮键中间体。

智能表面如何完成其工作

为了实现这种行为，团队通过用少量硒替换氧化铟中的部分氧原子，细微地重塑了其电子结构。此调整增加了局部电子密度并使晶格发生轻微畸变，恰到好处地使得表面对CO2不具吸引力，而对硝酸盐及其类亚硝酸产物却有更强的结合能力。计算机模拟表明，在这种调谐过的表面上，形成关键的碳–氮键所需的能量更低，并且优于会将硝酸盐转为氨或将CO2转为甲酸的副反应。复杂的原位测量——在反应进行时用红外和核磁共振探测表面——直接检测到了预期的中间体，包括已连接的碳–氮物种，确认了设计者所设想的逐步装配线。

更清洁的产物和强劲的性能

在流动电化学池中测试时，Se–InOx 催化剂以较高速率和高纯度产出尿素。在优化条件下，其尿素生产速率约为每克催化剂每小时255毫摩尔，并将近79%的电荷转化为尿素，产品中超过85%的氮和几乎100%的碳以尿素形式存在，而非副产物。产生氨、甲酸或氢气的竞争路径被强烈抑制。该催化剂在多次循环及放大的5 × 5 cm电池连续运行20小时后保持了结构和活性，产出超过一克的固体尿素，并通过了核磁共振纯度检测。

成本、气候影响与未来前景

除了实验室性能外，作者还评估了这一方法在更大规模上是否具有经济和环境意义。他们的分析表明，如果以廉价的可再生电力驱动并将效率进一步略微提高，电化学尿素的成本可能接近甚至低于当前市场价格，尤其是在副产物也有价值的情况下。生命周期评估显示，使用低碳电力可将每千克尿素的温室气体排放降至低于传统路线的水平。简而言之，这项工作表明，经过精心设计的“类点击”表面能够编排废碳和废氮的相遇方式，将污染问题转化为肥料解决方案，并为更清洁地生产其他复杂化学品提供蓝图。

引用: Sun, Y., Tian, M., Wu, Q. et al. Sequential-chain coupling over hierarchical click-sites enables highly selective urea electrosynthesis. Nat Commun 17, 2388 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69207-4

关键词: 电化学尿素合成, 二氧化碳利用, 硝酸盐还原, 异相催化, 绿色肥料