CO2+N2变尿素：离子液体自由基介导的电催化新路径

以CO2和N2为原料在温和条件下电化学合成尿素，是绿色化学领域的前沿方向之一，对于实现可持续发展和碳中和目标具有重要意义。然而，这一反应面临两大挑战：CO2和N2分子都极其稳定，难以活化；电催化过程中析氢反应（HER）与目标产物竞争，大幅降低效率。

2026年7月，中国科学院化学研究所韩布兴/康欣晨团队在Nature Nanotechnology上发表了突破性研究：他们设计了离子液体自由基介导的氢自由基转移新路径，实现了室温下高效电催化CO2和N2共还原合成尿素。

核心创新：绕过*H路径

传统电催化加氢反应依赖于吸附态氢（*H）——但*H同时是析氢反应的前体，两者直接竞争。该团队的关键创新在于设计了一条全新的路径：利用IL@CuBi催化剂表面的Emmim+阳离子，在电解过程中被还原成Emmim*自由基，随后Emmim*自由基将电子接力转移给H+，生成高活性的H*自由基。

图1：传统*H路径与新型H*自由基路径对比

这种H*自由基直接用于加氢，避开了*H的生成路径，从根本上抑制了析氢副反应。实验实现了73.0%的尿素法拉第效率和27.4 mA cm-2的电流密度——这意味着接近3/4的电能被有效转化为尿素，而非浪费在产氢上。

反应机理与催化剂设计

IL@CuBi催化剂的设计是该策略成功的关键。铜铋双金属催化剂提供了CO2和N2活化的活性位点，而表面修饰的离子液体则充当了电子中继站——先接收电子形成自由基，再将电子传递给质子生成H*。这种"接力传递"机制避免了H*与催化剂表面的直接接触，从而切断了析氢反应的路径。

图2：IL@CuBi催化剂上CO2和N2共还原合成尿素的全流程

意义与展望

这一策略不仅为温和条件下CO2和N2的共活化转化提供了新路径，也为设计其他高效电催化反应路线提供了新思路。传统工业合成尿素需要高温高压（150-200 C, 150-300 atm）的Bosch-Meiser过程，而该电催化方法在室温常压下即可运行，能耗和环境友好性大幅提升。未来，结合可再生能源驱动的电解，有望实现真正的绿色尿素合成。

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