Un equipo de investigación de los Institutos Hefei de Ciencias Físicas de la Academia de Ciencias de China ha logrado avances significativos en el campo de la química sostenible con el desarrollo de un catalizador de cobre (Cu) de un solo átomo con una estructura de coordinación de nitrógeno. Este innovador catalizador, denominado Cu-N3 SAs, se desarrolló utilizando un soporte bidimensional de g-C3N4, que se deriva de la pirólisis de melamina. El equipo demostró con éxito su capacidad para permitir una síntesis electrocatalítica eficiente de urea en condiciones suaves.
La urea, un compuesto ampliamente utilizado en fertilizantes y otras aplicaciones, se produce principalmente mediante el proceso Bosch-Meiser, que consume mucha energía y que también es conocido por su importante huella de carbono. Esto subraya la importancia de explorar alternativas sostenibles a la síntesis de urea utilizando fuentes de energía limpias. La correducción electrocatalítica de dióxido de carbono (CO2) y iones nitrato (NO3–) ofrece potencial a este respecto; Sin embargo, desafíos como los procesos de reacción multielectrónica, los complejos mecanismos de acoplamiento de CN y las reacciones secundarias competitivas han obstaculizado el progreso en este campo, afectando la eficiencia general.
Para abordar estos desafíos, el equipo de investigación utilizó una metodología única de impregnación y pirólisis en tándem para crear SA de Cu-N3. Las técnicas de caracterización avanzadas, incluida la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), permitieron a los investigadores confirmar la estructura atómica precisa y el estado electrónico de los catalizadores.
Los resultados fueron prometedores: los SA de Cu-N3 lograron un notable rendimiento de urea de 19.598 ± 1.821 mg h⁻¹ mgCu⁻¹, con una eficiencia faradaica del 55,4 % a un potencial aplicado de -0,9 V (en comparación con el electrodo de hidrógeno reversible). Investigaciones adicionales mediante espectroscopia infrarroja in situ, espectrometría de masas y espectroscopia de absorción de rayos X revelaron una característica notable de los sitios Cu-N3, que se transforman dinámicamente en una configuración N2-Cu-Cu-N2 durante el proceso de reacción. Se descubrió que esta reconstrucción mejora significativamente el rendimiento de la síntesis de urea.
Para comprender los mecanismos subyacentes, los investigadores realizaron cálculos utilizando la teoría funcional de densidad complementaria (DFT). Estos análisis sugirieron que la evolución dinámica del catalizador ocurre dentro de la estructura del anillo del g-C3N4 de una sola capa, lo que lleva a la formación de una estructura de bisita de cobre. Este cambio estructural mejora la adsorción de CO, acelera la transferencia multielectrónica y reduce la barrera energética para la formación del potencial intermedio *CONH, que es crucial para el primer paso de acoplamiento de CN en la producción de urea.
Los investigadores creen que sus hallazgos proporcionan conocimientos teóricos cruciales que pueden ayudar a comprender la evolución dinámica de los sitios activos catalíticos y, en última instancia, contribuir a los avances en la electrólisis eficiente de la urea y a avanzar aún más en los métodos de producción sostenible.
