一氧化碳和氢气的双重溢出启动串联尿素电合成

把废物变成植物肥料

现代农业高度依赖尿素肥料，但按常规方法生产尿素需消耗大量化石燃料并释放大量二氧化碳。本研究探索了一条更清洁的路径：利用可能来自可再生能源的电力，将两种废物流——来自尾气的二氧化碳和水体中的硝酸盐污染——直接转化为尿素。在此过程中，体系还产出甲酸盐这一有用化学品，展示了未来工厂如何在制造必需品的同时治理排放。

一种新型的肥料工厂

当今的尿素工厂依赖已有百年历史的哈伯—博施（Haber–Bosch）工艺，该工艺先合成氨再与二氧化碳反应。两步都高度耗能且碳密集。研究人员改为构建一种“电化学”工厂：一种封闭装置，利用电力在水相中驱动化学转化。一个入口供应二氧化碳，另一个入口供应硝酸盐，后者可来自受污染的水道或可持续生产的含氮化合物。装置内部，电极表面经过特殊设计的金属颗粒促使这些简单分子重排并将碳与氮原子连接成尿素，条件为室温与适度压力。

两种金属的协同工作

工作的核心是一种由铜板装饰微小钯氢化物颗粒构成的串联催化剂——钯氢化物是能在晶格中储氢的钯金属。每种金属承担不同角色：钯氢化物善于将二氧化碳转化为含碳的活性片段，而铜则擅长将硝酸盐还原为含氮片段。通常这些片段难以相遇并获得合适数量的氢原子，导致尿素生成缓慢且出现许多副产物。在这里，两种组分被放置得非常接近，以便在其共享表面上持续交换反应性物种。

溢出效应：传递反应片段

关键创新在于“双重溢出”效应。首先，钯氢化物颗粒生成的含碳片段会从钯表面迁移或溢出到邻近的铜上。其次，储存在钯氢化物内的氢渗出并传输到铜上。在铜表面，来自硝酸盐的含氮片段已就位。进入的碳片段与这些含氮物种结合，形成早期的碳—氮构建单元，而溢出的氢则有助于温和地完成并稳定新形成的分子。精细的实验与计算模拟表明，这种传递显著降低了以往延缓关键成键与终步的能量屏障。

性能、耐久性与气候影响

由于串联催化剂能够高效管理每一步反应，它能以高速率生成尿素，并将超过60%的输入电荷用于目标产物——这是迄今报道的较好数值之一。团队随后将该概念放大到一个更大的流动电池中，该装置连续运行超过一周。在此装置中，相同的钯—铜材料被用于两个电极：一侧将二氧化碳和硝酸盐转化为尿素，另一侧则将甲醇转化为甲酸盐（另一种有价值的化学品）。经济模型表明，尤其在低成本电力可得时，来自甲酸盐的收入可以抵消尿素生产的大部分成本。生命周期分析进一步表明，与现有工业工艺相比，该路径可将尿素的碳足迹大致减半。

为何这对更绿色的未来很重要

这项工作表明，通过巧妙配对材料使其能够在界面上共享反应片段，可以开启更清洁的大宗化学品制备方式。通过利用电力将二氧化碳和硝酸盐——两种主要污染物——转化为尿素和甲酸盐，该系统指向可以由可再生能源驱动并与污染控制相结合的肥料生产方式。尽管在此类装置成为工业标准之前仍需进一步改进，双重溢出策略为设计既高效又有利于气候的未来催化体系提供了有前景的蓝图。

引用: Li, Y., Han, B., Liu, Y. et al. Dual spillover of carbon monoxide and hydrogen initiates tandem urea electrosynthesis. Nat Commun 17, 2506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69307-1

关键词: 电化学尿素合成, 串联催化, 二氧化碳利用, 硝酸盐增值, 钯铜催化剂