隨著世界人口的增加，尿素作為一種商業(yè)氮肥，將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的一個(gè)日益增長的組成部分。工業(yè)尿素生產(chǎn)主要依賴于NH₃和CO₂在苛刻條件下的耦合，這一過程能耗大，在世界范圍內(nèi)是一個(gè)多循環(huán)過程，氨的消耗量巨大造成了額外的能源和環(huán)境問題。光催化作為一種可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，有望為在溫和條件下利用N₂、CO₂和H₂O 直接綠色合成尿素提供一個(gè)新的視角。然而，光催化電子轉(zhuǎn)移效率低下的問題嚴(yán)重阻礙了其可行性，特別是在上述多電子需求的尿素合成方面。

因此，中國科學(xué)院理化所趙運(yùn)宣和張鐵銳（共同通訊）等人報(bào)道了利用 TiO₂固定可逆單原子銅（Cu SA-TiO₂）加速電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的有效策略，以提高N₂、CO₂和H₂O中尿素的光合作用性能。

本文報(bào)告的基于TiO₂光催化劑，Cu SA-TiO₂可以加速電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，用于在純H₂O存在下使用N₂和CO₂分子輕度光催化合成尿素，產(chǎn)量高達(dá)432.12 μg g_cat^-1。通過系統(tǒng)的研究（如準(zhǔn)原位電子順磁共振和飛秒時(shí)間分辨的光生電子動(dòng)力學(xué)等測(cè)試），揭示了設(shè)計(jì)的Cu SA-TiO₂中單原子銅的可逆性及其誘導(dǎo)的光生電子的快速提取率。

與Cu SA-TiO₂相比，Cu⁰ -TiO₂在輻照前后和再生后的最大電子提取時(shí)間幾乎恒定（~4.30 ms），明顯缺乏加速光生電子提取速率的可逆性或可恢復(fù)性。Cu SA-TiO₂的快速提取光生電子（比參考光催化劑快30倍以上）將使 Cu SA-TiO₂的改善性能合理化，以確保豐富和連續(xù)的光生電子和富含電子的Cu位點(diǎn)用于分子活化（例如 N₂，CO₂和 H₂O）和 C-N耦合，確保了N₂、CO₂和H₂O對(duì)多電子需求的尿素光合作用的供應(yīng)，從而促進(jìn)了尿素光合作用。

合成尿素工業(yè)對(duì)氨的高度依賴和高耗能的多步反應(yīng)過程嚴(yán)重阻礙了工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)這些問題，提出了在溫和條件下，在純H₂O中直接光催化N₂和CO₂合成綠色尿素的方法，從根本上避免了對(duì)氨的高度依賴，簡(jiǎn)化了合成過程。這項(xiàng)工作證明了可逆單原子Cu加速電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)提高了利用太陽能的尿素光合作用，為人工尿素光合作用和其它多電子需求的光催化反應(yīng)提供了一條高效、有前景的途徑。

Accelerating electron-transfer dynamics by TiO₂ -immobilized reversible single-atom copper for enhanced artificial photosynthesis of urea, Adv Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202207793.

https://doi.org/10.1002/adma.202207793.