電催化二氧化碳（CO₂）和硝酸鹽（NO₃^–）的C-N偶聯為傳統的能源密集型尿素合成方案提供了可持續的替代方案，從而實現廢物升級和增值產品合成。高效穩定的電催化劑的設計，對促進電催化尿素合成的發展至關重要。

基于此，2024年10月14日，湖南大學王雙印教授、陳晨副教授、陳大偉博士在國際頂級期刊Nature Communications發表題為《Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst》的研究論文。

在這項工作中，銅酞菁（CuPc）因其精確且可調節的活性構型而被用作尿素合成的模擬催化劑。結合實驗和理論研究，可以觀察到通過氨基取代（CuPc-Amino）優化電子結構增強分子內Cu-N配位，有效抑制電化學誘導的脫金屬作用，這是其優異活性和穩定性的來源。

與CuPc（最大尿素產率為39.9±1.9?mmol?h^–1 g^–1，在10次測試循環中衰減67.4%）相比，CuPc-Amino的尿素產率高達103.1±5.3?mmol?h^–1 g^–1，具有顯著的催化效果和耐用性。

作者通過同位素標記、operando電化學光譜測量以揭示反應機制和驗證C-N偶聯過程。

本工作為尿素合成分子電催化劑的合理設計提供了獨特的方案。

圖1：電催化劑的物理表征

圖2：電催化合成尿素的性能

圖3：電催化合成尿素活性和穩定性的來源

Li, H., Xu, L., Bo, S.?et al.?Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst.?Nat. Commun.?15, 8858 (2024).