分会

第二十二分会：理论与计算催化

摘要

尿素[CO(NH2)2]作为含氮量最高的固体肥料，在农业生产中具有重要意义，是化工和制药领域的重要原料。但目前尿素工业生产并不“绿色”，同时产率受到反应物转化效率的限制。因此，开发高效、绿色的尿素合成技术在当下具有价值和意义。电催化N2和CO2制尿素是一种环境友好的替代Haber-Bosch工艺的方法。该反应的瓶颈是稳定的N≡N和C=O键的活化和裂解，且反应过程中C-N偶联机理尚不清晰。 基于电催化过程发生在液-固/气-固界面，活性物种在非均相催化剂表面的吸附和脱附行为受催化剂表面原子组成和电子结构的影响，但来自同一金属的活性位点对两个不同活性物种的还原效率不能同时达到最优。为了克服以上挑战，我们提出了利用实验可合成的具有两个不同功能位点的双金属催化剂（bimetallic catalysts，BMC），用于同时吸附和活化N2和CO2的策略，借助双位点之间的协同效应来提高反应活性，以获得较高的原子利用效率和优异的催化性能。然而，多样化的元素组合和不明确的催化机制使合理设计面临挑战。 在此，我们基于密度泛函理论进行了深入的计算，以研究氮掺杂石墨烯上锚定的BMC的催化性能。提出两步筛选策略并对反应自由能进行研究，Ti-Co@NC催化剂表现出-0.23 V的超低起始电位，可以有效催化反应。此外，从分子静电势图和双描述符图中看出，CO倾向于倾斜攻击*N2以有效促进C-N偶联。同时，我们发现通过控制两个金属位点之间的转移电子量，可以进一步增强反应过程。这些结果增加了尿素电合成中对C-N偶联的理解，为催化剂的合理设计提供了灵感。

关键词

电催化；尿素合成；单原子催化剂；倾斜进攻；密度泛函理论

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