尿素是全球使用最普遍的氮基肥料，占所有人造肥料的50%以上。传统的尿素生产方法，如Bosch-Meiser工艺，高度依赖化石燃料，并产生大量的二氧化碳排放。据估计，如果不加以控制，到2050年尿素生产的碳排放量可能达到惊人的2.86亿吨CO₂当量/年。因此，通过电化学手段催化CO₂/NO₃^-共还原实现尿素的可持续合成是目前关注度很高的清洁技术路线。但是，尿素的形成是一个涉及16电子的复杂过程，该过程中，会伴随着各种含N和C的中间体产生。然后，关键中间体相互结合产生关键的C-N键。与单独的CO₂或含NO₃^-还原相比，共还原意味着反应物的吸附模式和中间体的偶联阶段更加复杂，不同的C、N中间体肯定会影响反应途径。因此，设计有利于进行共还原的催化剂、提升合成尿素的活性显得更为重要。

近日，我校钦青教授与河南大学等研究机构合作，提出利用MnO₂纳米管，来稳定高价态Cu位点策略。该团队的研究表明，Cu-MnO₂催化剂在NO₃^-/CO₂共还原合成尿素的反应中表现出色，最高法拉第效率（FE）可达54.7%，最大尿素产率达到116.7 mmol h^-1 g_cat.^-1。这一优异性能得益于Cu^δ+位点的稳定存在以及Cu^δ+-O_vs-Mn³⁺双位点的形成，这些特征显著降低了反应速率决定步骤所需的能量，并促进了两个关键的C-N偶联步骤。

图 利用Cu-MnO₂在流动池中电化学合成尿素

为了进一步验证该催化剂的工业应用潜力，研究团队在流动池中进行了长时间电解实验。在-0.5 V vs. RHE的条件下，持续电解120小时后，成功获得了59.09 mg的尿素，展现了出色的连续生产能力。

这一重要成果已发表在国际化学顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Stabilization of Cu^δ+ Sites Within MnO₂ for Superior Urea Electro-synthesis” (DOI: 10.1002/adma.202409697)。安徽师范大学为论文的第一完成单位，论文的第一作者为2022级研究生杨懿栋，2021级吴官正为论文的共同第一作者，2022级蒋家迪、2023级柳思嘉和刘富康参与了部分实验工作，大型仪器中心余锐老师、谷翠萍老师、王华老师提供了材料表征的技术支持。

以上工作得到了国家自然科学基金委、安徽省自然科学基金、安徽师范大学高层次人才启动经费等项目的大力支持。