第一作者：杜家欣
通讯作者：吴轩浩/逯高清/吴忠标
通讯单位：浙江大学
DOI：10.1038/s41467-025-67741-1
利用二氧化碳与含氮污染物（如硝酸盐）通过电化学碳氮耦合合成尿素等高附加值有机物，是实现温室气体减排与废水净化的绿色途径，符合碳中和与环境保护目标。相较于传统高能耗的工业合成工艺，该电化学路径可在常温常压下利用可再生电力驱动，显著降低能耗，并实现污染物资源化转化。然而，该技术长期面临三大关键瓶颈：C–N偶联动力学缓慢、关键中间体难以稳定共存与高效相互作用，以及高电流密度下传质失配，导致副反应（如析氢反应HER、NH4+、NO2–和甲酸生成等）严重，尿素选择性与产率难以突破。已有研究策略多集中于双金属或单原子活性位点的设计与电子结构调控，以优化中间体吸附行为，但对反应发生的局部空间环境的系统调控与利用，仍鲜有深入探索。在此背景下，本文提出并聚焦于一个核心科学问题：能否超越传统活性位点优化的思路，通过“纳米限域”策略调控C–N偶联的反应路径与过程动力学，从而实现尿素合成效率的提升。展相关研究不仅有助于深化对耦合反应机制的理解，也将为设计高效、稳定的氮碳共转化电催化体系提供新方向。
本研究设计了一种介孔碳空心球（MCHS）纳米限域的铜钌双金属催化剂，以突破这些障碍。该催化剂通过空间限域反应物与中间体，在电流密度为250 mA cm–2条件下实现了12.51 g h–1 gcat–1的尿素产率，并具备125小时的稳定运行能力。原位红外光谱与DFT计算分析表明，纳米限域效应将碳氮偶联路径从热力学有利的COOH–NH2中间体转变为动力学驱动的OCO–NO中间体，从而绕过了能量势垒。精确的孔径调控实验证实，最优限域空间能同时强化反应物传输与中间体保留，提升反应选择性。该研究确立了纳米限域作为调控多步电催化过程的普适性策略，为优化复杂电催化过程提供了合理的调控手段。
图1尿素电合成中限域与非限域系统设计示意图及纳米结构表征。
图2纳米限域与非限域基电催化剂的理化性质表征。
图3纳米限域与非限域基电催化剂的尿素电合成性能。
图4纳米限域与非限域基电合成尿素的机理研究。
图5不同纳米限域尺度催化剂的表征及其尿素电合成性能。
图6尿素电合成中纳米限域效应的影响机制解析。