常规催化通过降低热力学能垒促进反应发生，很少涉及电子自旋的调控作用。事实上，即使自发放热反应也可能因自旋守恒规则而受到限制。近年来，自旋催化机制研究得到普遍关注，即通过磁性催化剂与反应物/中间体的相互作用克服自旋禁阻过程。目前，自旋催化研究集中在从单重态水分子生成三重态氧气分子的水氧化OER反应上，在更普遍、更重要的能源催化反应中探索自旋催化机制具有重要意义。本工作中，研究人员将自旋催化机制应用于电催化CO₂和 NO₃^–转化尿素(CO(NH₂)₂)，利用稀磁氧化物Cu-In₂O₃作为催化剂，发现外加磁场可以显著降低尿素合成的电势，消除自旋依赖反应过程的动力学能垒，自主开发磁-电化学原位红外光谱技术测定自旋敏感中间体，结合磁场下动力学同位素实验(KIE)和自旋理论分析等手段，揭示了C-N偶联过程的自旋依赖氢转移机制(图1)。

图1. Cu-In₂O₃催化合成尿素的自旋依赖氢转移机制

本文亮点：

综上所述，本工作发现了磁性催化剂上尿素合成反应的自旋依赖氢转移机制，率先将“自旋催化”概念拓展至尿素等碳氮化合物的电合成领域。同时，磁-电化学原位红外光谱技术为捕捉自旋敏感中间体、揭示自旋催化机制提供了有力工具。论文第一作者为郝晋杰博士，通讯作者为中国科学院化学研究所盛桦研究员和张闯研究员。该研究得到了化学所碳中和化学中心创新项目的大力支持。该工作以研究论文(Research Article)形式发表在中国化学会旗舰期刊CCS Chemistry，已在官网“Just Accepted”栏目上线。