电催化尿素合成提供了一种有前景的方法来实现人工氮闭环。然而，与其他涉及NO₃^–和CO₂还原的竞争性电化学步骤相比，尿素形成过程中缓慢的C-N偶联步骤限制了尿素合成的选择性和能量效率。开发有效的催化剂预计促进电化学反应。

在尿素合成过程中，参与NO₃^–和CO₂共电解的各种碳和/或氮中间体经历一个关键步骤，称为C-N偶联途径。这个途径通常被描述为NO₃^–和CO₂共还原为尿素，而不是NO₃^–或CO₂单独还原。

因此，与单活性位点催化剂的开发相比，人们已经广泛探索了专门用于CO₂和专门用于NO₃^–还原的双活性位点催化剂。但是，构建双活性位点面临着重大挑战，因为CO₂和NO₃^–的活化通常需要不同的催化剂表面和反应环境。

近日，新加坡国立大学汪磊、吴喆和新西兰奥克兰大学王子运等假设，Eley-Rideal型C-N键形成对于实现高效率来说更为理想，因为它涉及更少的表面中间体，从而提供了对催化剂和系统设计的更大控制。

为了验证这一假设，将Cu作为CO₂和NO₃^–共还原的模型催化剂，因为它能够在截然不同的电位范围内激活NO₃^–和CO₂。

通过详细的动力学和机理分析，证明Cu催化剂上的尿素形成主要通过Eley-Rideal途径进行。具体而言，在实验过程中观察到在早期阴极电位区域有显著的尿素产生，其中CO₂R在热力学上被排除。

​

结合密度泛函理论(DFT)计算，研究人员阐明了选择性尿素生成的关键描述符是*NO₂的吸附强度，这决定了*NO₂与CO₂偶联及*NO₂加氢形成NH₃之间的竞争。B掺杂Cu (B-Cu)是一种有前景的催化剂，因为其*NO₂结合强度减弱。

在典型的测试条件下，B-Cu催化剂表现出显著的性能改善，尿素选择性超过80%，尿素生成速率高达101.2 μmol h^-1 cm^-2，优于未掺B的Cu (19% 和18.2 μmol h^-1 cm^-2)相比。

此外，还进行了生命周期评估(LCA)，以废水作为NO₃^–来源，其中NO₃^–含量至少为500 ppm，并实现≥60%的法拉第效率，有助于实现可持续的尿素电合成。

Directing the C-N coupling pathway enables efficient urea electrosynthesis. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c04483