Small Science:电催化碳氮耦合制备尿素

通过以清洁能源驱动的电催化反应可实现惰性分子绿色高效活化与固定,是拓展来源广泛的气体分子资源化利用的可靠途径,符合可持续发展的政策要求。单类分子的电催化反应产物往往存在键合结构单一的问题,实现具有复杂键合结构比如碳氮键的构筑是电催化未来发展的重要方向之一。

尿素作为一种重要的氮肥以及化学品,在工业农业领域具有重大作用。工业尿素合成包括两个连续的制备工艺,氮气+氢气→氨,然后氨气+二氧化碳→尿素。每年仅用于哈柏法制氨就需要消耗全球总能耗的2%以上,并且后续用于尿素合成所需要的氨量约占哈柏法总产氨量的80%,同时,尿素合成也需要在苛刻条件下得以运行。总之,目前的尿素制备工艺虽然是工业化合成的主流方法,但存在着高能耗高污染以及工艺复杂的弊端。

近日,湖南大学王双印教授、陈晨Small Science上发表综述文章,就电催化碳氮耦合制备尿素的研究进展进行了详细论述碳源(二氧化碳)和氮源(氮气,亚硝酸盐,硝酸盐)的电催化耦合策略可不经过高耗能高污染的合成氨步骤,直接实现尿素的高效绿色合成,是尿素合成领域极具潜力的替代途径。电催化碳氮耦合以制备尿素可将两个高能耗、高污染的工业步骤优化为一个可再生能源驱动的电催化过程,极大地缓解能源与环境危机。本文综述了尿素绿色合成的研究进展,重点介绍了碳源和氮源经电催化耦合在环境条件下直接合成尿素的研究进展。综述了电催化尿素合成相关的机理研究,指出了目前研究存在的不足,并对电催化尿素合成的未来发展方向进行了展望。电催化C-N偶联反应可实现资源的高效利用,该工作拟为多领域的分子偶联方向提供参考与指导。

图1. 尿素合成路径示意图。路径一:哈柏法合成氨与后续工业化尿素合成;路径二:电催化碳氮耦合一步法制备尿素。

论文信息:

Electrocatalytic CN Coupling for Urea Synthesis

Chen Chen*, Nihan He, Shuangyin Wang*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100070

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100070