2026年3月2日，新加坡国立大学化学与生物分子工程系的汪磊助理教授以及化学系的欧鹏飞助理教授团队合作在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Electrosynthesis of urea on cadmium-modified iron oxide”的研究成果。

该成果报道了一种镉修饰的氧化铁催化剂，成功实现了在高电流密度下的高选择性电化学尿素合成。该策略通过精准调控催化剂电子结构，有效抑制了二氧化碳还原与析氢等竞争副反应，从而将反应路径导向尿素生成。机理研究表明，镉的引入显著削弱了催化剂表面对关键中间体CO的吸附，并促进了C−N偶联中间体的质子化过程，最终在适中的过电位下获得了高达140 mA cm−2的尿素分电流密度与52%的法拉第效率。这项工作为开发适用于实际生产条件的高效尿素电合成催化剂提供了新的设计思路与理论见解。

论文通讯作者是汪磊、欧鹏飞；第一作者是胡毕豪、刘妍。

电化学合成尿素在实现碳中和与人工氮循环方面具有重要意义，但要在与实际应用相关的高电流密度下高效合成尿素仍面临巨大挑战。这主要是因为在维持高电流所需的高过电位下，多种竞争性副反应（特别是二氧化碳（CO2）还原和析氢反应）会显著加剧，导致目标产物选择性急剧下降。

针对这一难题，汪磊和欧鹏飞团队提出了一种面向实际电流密度的选择性尿素合成催化剂设计策略。该策略的核心在于寻找能在高过电位下同时具备以下特性的材料：对竞争性的CO2还原和析氢反应活性较低，而对硝酸盐活化具有高活性。

基于此策略，研究团队成功开发出一种镉（Cd）修饰的Fe₂O₃催化剂复合材料。实验结果表明，该Cd-Fe2O3催化剂在相对于可逆氢电极仅−0.5 V的适中阴极电位下，即可实现约140 mA cm−2的高尿素分电流密度，并保持52%的显著法拉第效率。

为了深入理解其高性能根源，团队通过详细的动力学分析、原位光谱研究和密度泛函理论计算，揭示了镉掺杂的关键作用：Cd的引入改变了材料的电子结构，并稳定了氧化态铁物种，从而显著削弱了催化剂表面对CO中间体的吸附。这种修饰一方面抑制了不需要的Volmer型氢吸附过程，另一方面促进了关键中间体CO2NH2的质子化步骤，从而共同强化了尿素的形成路径。因此，在Cd-Fe2O3催化剂上，竞争性的析氢反应得到有效抑制，使得在高电流密度下仍能保持高的尿素选择性。

图1：电合成尿素性能全景图与技术经济性决定因素。

图2：主导电化学尿素合成的竞争性反应路径。

图3：CO₂对HER动力学及Fe₂O₃催化剂表面CO结合的影响。

图4：Fe₂O₃与Cd-Fe₂O₃的结构表征。

图5：Cd-Fe₂O₃上尿素电合成的电化学性能、动力学参数及原位光谱学机理。

图6：尿素在本征Fe与Cd−Fe催化剂上形成的DFT计算。

这项工作不仅为在实用化电流密度下实现高效尿素电合成提供了一种有效的催化剂设计策略与具体材料方案，也通过微观机理阐释，为后续开发更高性能的氮基化学品合成催化剂指明了方向。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-026-00995-9