UNIST研究团队通过原子级间隙调控开发高性能催化剂
一种既能降低温室气体二氧化碳（CO2）和作为细颗粒物前体的硝酸盐（NO3-），又能生产农业及各类产业必需物质——尿素（Urea）的催化剂已经被开发出来。
蔚山科学技术院（UNIST）能源化学工程系 Kwon Youngguk 教授团队，应用一种可控制铜内部原子尺度“缝隙”的技术，开发出了可将二氧化碳和硝酸盐转化为高附加值尿素（Urea）的新型催化材料。
Kwon 教授团队首先与能源化学工程系 Song Hyeongon 教授团队合作，通过锂化工艺在催化剂内部构筑出原子尺度的缝隙。
随后，能源化学工程系 Lee Hyeonuk 教授团队利用实时透射电子显微镜（TEM，Transmission Electron Microscopy）分析，观测并揭示了原子尺度缝隙的生成过程。
研究团队通过在铜纳米颗粒的两个晶面之间引入原子尺度缝隙，制备出了适用于二氧化碳和硝酸盐电化学协同还原反应的理想且高效的催化剂，并报告称，利用该催化剂进行尿素合成时的电流效率和生成速率大幅提升。
在制备出的铜催化剂中，缝隙距离接近 6 埃（6 Å）的铜（6 Å-Cu）催化剂，与传统铜催化剂相比，尿素生成速率提升约 17 倍（7541.9 μg h⁻¹ mgcat⁻¹），尿素电流密度提升超过 19 倍（115.25 mA cm⁻²）。
这一数值是目前学界已报道结果中的最高水平。此外，该催化剂通过了 50 小时稳定性测试，其稳定性也得到了验证。
研究团队通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算表明，该催化剂反应速度极快，源于铜表面自上而下的电子密度迁移。
同时还发现，这与稳定二氧化碳与含氮化合物之间 C-N 键的过渡态，以及降低反应的热力学势垒密切相关。
能源化学工程系教授 Kwon Youngguk 表示：“电化学二氧化碳和含氮化合物的同步还原领域仍处于早期研究阶段，在这一阶段，通过基础研究拓展对该领域的理解，并同步开展对催化体系的研究，对技术商业化至关重要。我们将进一步发展这项可在国内自主生产目前依赖进口的尿素的源头技术，为实现碳中和作出贡献。”
第一作者、硕博连读研究员 Shin Seokmin 表示：“传统铜催化剂对尿素的选择性较低，需要开发一种能够抑制竞争反应、并表现出高选择性的催化剂。我们通过在铜催化剂中引入原子尺度缝隙，开发出了高性能、高耐久性的尿素生产催化剂。”
本研究成果发表于能源与环境科学领域的世界权威期刊《Energy & Environmental Science》，并于 2023 年 3 月 28 日在线发表，作为 Inside Back Cover 论文于 5 月 17 日正式出版。
本研究在科学技术信息通信部韩国研究财团中坚研究项目、产业通商资源部能源技术开发项目以及国家科学技术研究会创意型融合研究项目的资助下完成。
版权所有 © 阿视亚经济 (www.asiae.co.kr)。 未经许可不得转载。
