在MOF-on-MOF S-型能级异质结上进行的光合尿素合成

用阳光将废物变为肥料

现代农业依赖尿素肥料，但传统生产方式消耗大量化石燃料并释放额外二氧化碳。与此同时，全球水体被硝酸盐污染，空气中的二氧化碳含量也在上升。本研究探索了一种仅用阳光将这两种废物转化为有用尿素的方法，展示了一种更清洁的化学途径，可能有助于粮食生产与环境保护。

为何需要重新思考尿素

如今的尿素主要在大型工业装置中，通过将氨与二氧化碳在高温高压下反应制备。该过程能耗高且高度依赖化石燃料。科学家长期设想一种更温和的途径：利用阳光为反应提供能量，直接将碳和氮从像溶解在水中的氮气和二氧化碳等简单分子拼接起来。然而，氮气反应活性差且溶解度低，早期“太阳能尿素”实验产量很少。本文作者采取不同策略，用更易活化的硝酸盐替代难以激活的氮气，硝酸盐本身在许多废水中作为污染物已很常见且反应性更高。

构建分层的光驱海绵

为使这种太阳驱动的化学反应可行，研究团队设计了一种微小多孔结构，称为金属有机框架（MOF），其中金属原子由有机分子连接形成有序的“海绵”。他们没有只使用单一MOF，而是在第一个MOF上生长了第二层薄壳，形成“MOF-on-MOF”棒状结构，具有基于锆的实心核心（称为NU-1000）和基于钴的外壳（称为Co-HHTP）。高分辨率电子显微镜和元素映射证实，内棒与外纳米棒形成明确的核壳构造，锆集中于中心、钴位于外部。该分层结构提供了巨大的内部表面积，并且关键在于在界面处将锆与钴原子紧密接触——重要的化学反应就在此发生。

将光与电荷引导到正确方向

阳光激发光催化剂中的电子，但这些电荷必须被有效分离与引导，才能驱动有用反应，而不是简单地重新复合为热。光学与电化学测试显示，组合的MOF-on-MOF结构比任一组分吸收更广范围的光，并表现为一种“S-型”结。本质上，当两种MOF接触时，电子自发地从钴位点流向锆位点，直到能级对齐，形成内部电场。在照明下，这个内建电场和弯曲的能带促使电子与空穴在棒体内向相反方向移动，将能量最高的电子保留在钴位点，而将最强的氧化性空穴保持在锆位点。光电流、荧光与电荷寿命的测量均表明，与单层材料或简单物理混合物相比，这种排列大大改善了电荷分离与传输。

制备并追踪太阳合成的尿素

当MOF-on-MOF棒体悬浮在含溶解硝酸盐并饱和二氧化碳的水中，并暴露于模拟太阳光时，其产生尿素的速率远高于任一单独MOF。作者报告的尿素产率超过每克催化剂每小时三千多微克，并在紫外波长下测得可观的量子产率，均可与迄今报道的最佳光催化剂竞争。通过使用特殊标记的硝酸盐与二氧化碳，他们确认尿素产物中的两个原子确实分别来源于这两种物质。实时红外监测揭示了关键反应中间体：硝酸盐首先在钴位点被还原为含氮氧片段，而二氧化碳被吸附在锆位点。随后这些片段在Co–Zr界面偶联，构建出定义尿素的碳–氮键，副产物（如氨、一氧化碳和氢气）仅有适量生成。

双位点设计如何完成主要工作

研究者用计算模拟进一步探讨为何该界面如此高效。计算显示硝酸盐与钴原子结合特别强，而二氧化碳更偏好锆原子，在组合结构上这两种分子的吸附都比在任一单一MOF上更强。关键步骤——将来自硝酸盐的含氮片段与来自二氧化碳的含碳片段连接——在双位点界面上的能垒明显低于仅在钴位点上。这意味着一旦分子在催化剂表面就位，它们更容易且以更少的能量损失发生结合形成尿素。

迈向更清洁的肥料生产

用通俗的话说，这项工作表明，可以设计微小的分层“海绵”，利用阳光从水中提取有害硝酸盐并从空气中获取二氧化碳，然后将它们编织成有价值的肥料成分。尽管该技术离取代当今的大型尿素工厂还有很长的路要走，MOF-on-MOF“ S-型”设计为未来的光催化剂提供了蓝图：在受控界面上结合不同活性金属、智能地引导光驱电荷，并在温和条件下把污染物转变为有用产品。

引用: Xi, Y., Zhang, C., Bao, T. et al. Urea photosynthesis over a MOF-on-MOF S-scheme heterojunction. Nat Commun 17, 2423 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69281-8

关键词: 太阳能尿素合成, 光催化剂, 金属有机框架, 硝酸盐还原, 二氧化碳利用