Une équipe de recherche des instituts de sciences physiques Hefei de l'Académie chinoise des sciences a construit un catalyseur à un seul atome de cuivre (Cu) (Cu-N3 SAs) avec une structure de coordination de l'azote. Ils ont utilisé gC bidimensionnel3N4dérivé de la pyrolyse de la mélamine, comme support pour obtenir une synthèse électrocatalytique efficace de l'urée dans des conditions douces.
Les résultats sont publiés dans Angewandte Chemie International Edition.
L'urée est principalement synthétisée via le procédé Bosch-Meiser, énergivore et très polluant. Il est donc crucial de développer des méthodes durables de synthèse de l’urée basées sur une énergie propre. Cependant, la synthèse de l'urée via la co-réduction électrocatalytique du CO2 et NON3– reste confronté à de nombreux défis, notamment les processus de réaction multiélectroniques, les mécanismes complexes de réaction de couplage C-N et les réactions secondaires compétitives. Ces facteurs réduisent considérablement l'efficacité de la synthèse de l'urée.
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un gC bidimensionnel3N4 support dérivé de la pyrolyse de la mélamine pour stabiliser les atomes de cuivre dans un Cu – N3 structure de coordination. En utilisant une méthode d'imprégnation-pyrolyse en tandem, ils ont construit des électrocatalyseurs à un seul atome de cuivre (Cu – N3 SA). Des techniques de caractérisation avancées, notamment la structure fine d'absorption des rayons X (XAFS) et la spectroscopie photoélectronique des rayons X (XPS), ont confirmé la structure atomique précise et l'état électronique des catalyseurs.
Le Cu–N3 Les SA ont démontré une activité exceptionnelle, atteignant un rendement en urée de 19 598 ± 1 821 mg h⁻¹ mgCu⁻¹ et une efficacité faradique de 55,4 % à -0,9 V (vs. RHE). D'autres informations issues de la spectroscopie infrarouge in situ, de la spectrométrie de masse et de la spectroscopie d'absorption des rayons X ont révélé que dans les conditions de réaction, le Cu – N3 les sites se reconstruisent dynamiquement en N2–Cu–Cu–N2 configuration, ce qui augmente considérablement les performances de synthèse de l’urée.
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité complémentaire (DFT) ont révélé que cette reconstruction se produit dans la structure en anneau du gC monocouche3N4. La structure de bisite de cuivre qui en résulte améliore l'adsorption du CO, accélère le transfert multi-électrons et abaisse la barrière énergétique pour la formation intermédiaire cruciale *CONH, la première étape de couplage C-N dans la production d'urée.
Selon les chercheurs, cette étude fournit des orientations théoriques importantes pour comprendre l’évolution dynamique des sites actifs catalytiques réels dans une électrolyse efficace de l’urée.
