绿色路径C-N偶联合成尿素的最新研究进展

doi:10.7503/cjcu20220717

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (5): 20220717.doi: 10.7503/cjcu20220717

绿色路径C-N偶联合成尿素的最新研究进展

张潇然¹, 郑建云¹(), 吕艳红¹^,²(), 王双印¹()

^1.湖南大学化学化工学院, 化学/生物传感与化学计量学国家重点实验室, 长沙 410082
^2.湖南第一师范学院物理与化学学院, 长沙 410202

收稿日期:2022-11-14 出版日期:2023-05-10 发布日期:2023-01-03
通讯作者: 郑建云,吕艳红,王双印 E-mail:jyzheng@hnu.edu.cn;lvyanhong603@163.com;shuangyinwang@hnu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22075075);国家重点研发计划项目(2021YFA1500900);湖南省杰出青年项目(2022JJ10023);湖南省湖湘人才计划项目(2021RC3051);湖南省自然科学基金(2021JJ40140);湖南省教育局科研基金(21B0812)

Recent Advances in Green C-N Coupling for Urea Synthesis

ZHANG Xiaoran¹, ZHENG Jianyun¹(), LYU Yanhong¹^,²(), WANG Shuangyin¹()

^1.State Key Laboratory of Chem/Bio?Sensing and Chemometrics，College of Chemistry and Chemical Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China
^2.School of Physics and Chemistry，Hunan First Normal University，Changsha 410202，China

Received:2022-11-14 Online:2023-05-10 Published:2023-01-03
Contact: ZHENG Jianyun, LYU Yanhong, WANG Shuangyin E-mail:jyzheng@hnu.edu.cn;lvyanhong603@163.com;shuangyinwang@hnu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22075075);the National Key Research and Development Program, China(2021YFA1500900);the Outstanding Youth Scientist Foundation of Hunan Province, China(2022JJ10023);the Huxiang Talent Plan of Hunan Province, China(2021RC3051);the Natural Science Foundation of Hunan Province, China(2021JJ40140);the Research Foundation of Education Bureau of Hunan Province, China(21B0812)

摘要/Abstract

摘要：

化学品的工业合成通常在高能耗的条件下进行, 加剧了能源危机和环境问题. 在可再生电力或/和太阳能的驱动下, 可以降低反应的能量屏障, 从而在更温和的条件下实现化学品的高效绿色合成. 二氧化碳和氮作为主要的小分子, 可通过电催化合成各种含碳和氮的燃料, 在缓解环境问题的同时降低能源枯竭的压力, 达到高效储能的目的. 本文综合评述了N₂和CO₂电化学转化的最新研究进展, 重点关注了反应条件的改进、反应路线的调整及催化机理的研究. 最后，对C-N电催化耦合目前面临的挑战和未来发展进行了展望. 为进一步开发N₂和CO₂的电化学转化提供了指导.

关键词: 电催化, 碳氮偶联, 尿素合成, 催化机制

Abstract:

The industrial synthesis of chemicals usually operates under harsh conditions with high energy consumption， aggravating energy crisis and environmental concerns. Driven by renewable electricity or/and solar energy， the energy barrier of the reaction could be reduced to achieve the efficient and green synthesis of chemicals under milder conditions. As the main small molecules， carbon dioxide and nitrogen can be used to synthesize various carbon and nitrogen-containing fuels through electrocatalysis， which can alleviate environmental problems while reducing the pressure of energy depletion and achieve the purpose of efficient energy storage. This paper briefly summarizes the recent advances in electrochemical conversion of N₂ and CO₂， focusing on the improvement of reaction conditions， the adjustment of reaction route， and the investigation of catalytic mechanism. The current challenges and future development for electrocatalytic coupling of C-N are prospected. This mini-review provides a useful guidance for further developing electrochemical conversion of N₂ and CO₂.

Key words: Electrocatalysis, C-N Coupling, Urea synthesis, Catalytic mechanism

中图分类号:

O643

TrendMD:

张潇然, 郑建云, 吕艳红, 王双印. 绿色路径C-N偶联合成尿素的最新研究进展. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220717.

ZHANG Xiaoran, ZHENG Jianyun, LYU Yanhong, WANG Shuangyin. Recent Advances in Green C-N Coupling for Urea Synthesis. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220717.

图/表 6

Fig.1 Progress of C⁃N coupling reactions for electrocatalytic amine synthesis(A) and pathways to urea synthesis(B)[10]（A） Haber-Bosch method combined with industrial urea synthesis；（B） direct electrocatalytic C-N coupling process.

Fig.2 Schematic diagram of the electrocatalytic coupling of nitrogen and carbon dioxide to prepare urea at room temperature and pressure[45]

Fig.3 Synthesis schematic diagram of single⁃atom ruthenium catalyst(A)[44], scanning transmission electron microscope photo of ruthenium single⁃atom catalyst containing zirconia(B)[61], electrocatalytic nitrogen reduction performance of single⁃atom ruthenium catalyst containing zirconia and performance comparison with other catalysts(C)[62]（A） Copyright 2018， Wiley-VCH；（B） Copyright 2019， Elsevier；（C） Copyright 2019， Springer Nature.

Fig.4 Optimization of catalytic system for urea synthesis（A） The typical H cell for urea electrocatalytic synthesis；（B） schematic illustration of solid-liquid interface in H cell［65］.Copyright 2020， American Chemical Society.

Fig.5 Schematic diagram of the formation of carbon⁃nitrogen bonds induced by introducing ammonia gas in the electrocatalytic reduction reaction of carbon monoxide(A), Faradaic efficiency of each product obtained by co⁃electrolysis of carbon monoxide and ammonia gas(B), co⁃electrolysis of carbon monoxide and ammonia gas, the mechanism diagram of each product and the energy barrier obtained by theoretical calculation of each step reaction(C)[66]

Fig.6 Design of electrocatalysts for coupling of nitrogen and carbon dioxide for urea synthesis（A） High-resolution TEM image of PdCu/TiO2-400 catalyst；（B） Pd3d XPS spectra of Pd/TiO2， PdCu/TiO2， and PdCu/TiO2-400；（C） Cu2p XPS spectra of Cu/TiO2， PdCu/TiO2 and PdCu/TiO2-400；（D） competitive chemisorption of nitrogen and carbon dioxide on TiO2-400 and PdCu/TiO2-400［45］；（E） high-resolution TEM image of Bi/BiVO4 hybrid；（F） electron density isosurface of carbon dioxide and nitrogen molecules；（G） the proposed reaction pathway of urea formation on Bi/BiVO4 hybrid， the urea yield rate［71］.

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Recent Advances in Green C-N Coupling for Urea Synthesis

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