近日，学院葛鑫同学在导师袁继理老师指导下在电催化C-N偶联的研究中取得了重要进展，成果以“Enhancing *CO and *N≡N Orbital Coupling via tuned Mn d-p hybridization at MnO/Mn7C3 Interfaces for Highly Selective Urea Electrosynthesis”为题发表在国际顶级期刊“Advanced Energy Materials” (影响因子：26，中科院一区TOP期刊)上。我校材料与冶金学院是论文的第一完成单位，我校硕士生葛鑫同学为文章的第一作者，贵州大学袁继理特聘教授和湘潭大学/湖南大学刘承斌教授为共同通讯作者。
在环境条件下电催化CO2和N2共还原为尿素提供了一条有前途的可持续尿素生产途径。与需要两个连续的C-N偶联步骤的硝酸盐（NOx−）的途径相比，N2与含碳中间体的直接电催化偶联提供了一种更有利的热力学途径，该途径仅涉及一步C-N偶联步骤。然而，由于负电位下的竞争反应，包括CO2RR、N2RR和HER，导致尿素选择性和产率均较低。因此，设计高效的电催化剂以同时选择性地激活CO2和N2，并调控中间体发生C-N偶联形成尿素存在很大挑战。
鉴于此，本研究团队在催化剂的设计上：报道了一种MnO/Mn7C3纳米异质结电催化剂，该催化剂具有3d-2p轨道杂化的界面Mn原子以促进C-N耦合动力学。通过微调MnO与Mn7C3的比例，调节了从Mn7C3到MnO的界面电子转移，并最大限度地提高界面Mn位点的数量。在合成尿素性能上：实现了创纪录的70.2 ± 4.5%的法拉第效率和233.5 ± 12.8 μg h−1 mgcat−1的尿素产率。在催化机制研究方面：结合原位光谱和理论模拟证明了Mn的界面3d-2p杂化轨道与*CO和*N2的π*轨道匹配良好，有利于在β自旋状态下形成具有部分d-π轨道占据的关键*NCON中间体。此外，还证明了*NCON中新形成的π轨道与Mn α自旋3d-2p轨道很好地对齐，从而促进*NCON的进一步氢化。这些发现揭示了异质结界面的轨道排列和自旋态相互作用在降低C-N键形成能垒和推进整个尿素合成途径方面的关键作用，这项工作为开发高效的电催化剂以定制产生 CO2和N2的活化和耦合过程提供了有希望的见解。
该项目得了国家自然科学基金，贵州省自科基金，贵州省高层次留学人才项目等的资助。
图文：葛 鑫
一审：陈 沁
二审：陈朝轶
三审：刘 剑