Harnstoff (CO(NH2)2) wurde sowohl im landwirtschaftlichen als auch im pharmazeutischen Bereich eingesetzt. Das weit verbreitete Bosch-Meiser-Verfahren hat einen hohen Energieverbrauch und CO2-Ausstoß. Daher ist es unerlässlich, energiesparende und wirtschaftliche Wege zur Harnstoffsynthese unter milden Bedingungen zu erforschen.
Die Elektrosynthese von Harnstoff mit CO2 und NO3- unter Umgebungsbedingungen ist ein effizienter Weg, aber noch weit von der Anwendung entfernt. Dies liegt daran, dass der Schlüsselschritt einen effizienten Elektrokatalysator benötigt, der die Adsorption und Aktivierung von NO3- und CO2 ermöglicht, um die CN-Kopplung zu erreichen.
Forscher des Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben nun eine Flüssigphasen-Laserbestrahlungsroute entwickelt, um symbiotische Kohlenstoff-eingekapselte amorphe Eisen- (Fe(a)@C) und Eisenoxid-Nanopartikel (Fe3O4-NPs) auf Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen (bezeichnet als Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs).
Die so hergestellten Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs enthielten zwei aktive Komponenten auf Fe-Basis, nämlich Fe@C-NPs mit Partikelgrößen von 10–20 nm und Fe3O4-NPs mit Partikelgrößen von 1–5 nm.
Das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Struktureinheiten in Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs ermöglichte die synergistische elektrokatalytische Aktivierung von CO2 und NO3-, um die CN-Kupplung für die Harnstoffsynthese zu realisieren.
Wie erwartet zeigten Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs überlegene Aktivität bei der elektrokatalytischen Kupplung von CO2 und NO3- für die Harnstoffsynthese mit einer Harnstoffausbeute von 1341,3±112,6 μg h-1 mgcat-1 und einer Faradic-Effizienz von 16,5 ±6,1 % bei -0,65 V (vs. RHE) in 0,1 M KNO3-Elektrolyt.
Sowohl experimentelle als auch theoretische Ergebnisse enthüllten, dass Fe(a)@C hauptsächlich für die elektrokatalytische Reduktion von NO3- zu *NH2-Zwischenprodukten verantwortlich war, während Fe3O4 für die elektrokatalytische Reduktion von CO2 zu *CO-Zwischenprodukten vorteilhafter war.
Der synergistisch katalytische Effekt trägt zu der hervorragenden elektrokatalytischen Leistung der Harnstoffsynthese bei Umgebungsbedingungen bei.
Die Studie wurde veröffentlicht in Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie.
Mehr Informationen:
Jing Geng et al, Ambient Electrosynthesis of Urea with Nitrate and Carbon Dioxide over Iron‐Based Dual‐Sites, Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie (2022). DOI: 10.1002/ange.202210958