【摘要】 中国科学院团队在《Nature Communications》发表研究，开发MOF复合催化剂实现大气CO₂与氨直接合成尿素。科学指南针提供吸附能和吉布斯自由能计算支持，助力反应机理解析。

中国科学院研究团队在《Nature Communications》发表创新研究成果，开发太阳能驱动大气中二氧化碳与氨直接耦合合成尿素的新方法。科学指南针为本研究提供吸附能和吉布斯自由能计算支持，助力反应机理解析与催化剂设计优化。

 

研究背景与人工碳循环挑战

人工碳循环技术通过将CO₂转化为高附加值产品，在"双碳"战略背景下具有重要意义。然而，传统CO₂转化过程面临捕集与纯化环节能耗高的瓶颈，制约其实际应用。

​核心技术瓶颈：​​

  • CO₂捕集与纯化环节占全过程能耗60-70%

  • 空气中CO₂浓度仅400ppm，与20% O₂共存

  • 氧还原反应热力学优势抑制CO₂还原过程

  • 低浓度CO₂转化产物分离与浓缩困难

 

创新方法：MOF复合催化剂与漂浮式反应平台

研究团队通过构建金属有机框架（MOF）复合光催化剂和漂浮式反应平台，突破低浓度CO₂直接转化技术难题。

​技术突破要点：​​

  • 选用卟啉铟基MOF（In-MOF）与UiO-66-NH₂构建复合催化剂

  • "2D-on-3D"异质结构增强CO₂选择性吸附能力

  • 漂浮式PTFE膜反应平台促进气相CO₂扩散

  • 实现CO₂与O₂空间分区还原和双重富集效应

 

材料设计与性能表征

通过精确调控MOF材料结构和组成，成功制备具有优异CO₂富集能力的复合光催化剂。

​材料特性验证：​​

  • In-MOF提供电子还原中心，含InO₄(OH)₂和In-N₄活性位点

  • UiO-66-NH₂增强CO₂吸附选择性

  • 复合催化剂在真实空气中保持高活性

  • 材料稳定性良好，适应环境条件

 

理论计算与机理验证

科学指南针支持的密度泛函理论计算深入揭示反应机理和催化剂活性起源，为实验设计提供理论指导。

​计算研究发现：​​

  • 吸附能计算分析CO₂和O₂在InO₄(OH)₂、In-N₄位点的吸附行为

  • 吉布斯自由能曲线模拟CO₂与NH₃合成尿素反应路径

  • 理论计算验证氧增强效应的热力学可行性

  • 活性位点电子结构调控与催化活性关联性分析

 

氧增强效应与反应动力学

研究发现独特的氧增强CO₂还原现象，颠覆传统认知，为低浓度CO₂转化提供新思路。

​机制创新突破：​​

  • 20% O₂条件下CO生成速率是无氧条件的2.3倍

  • 动力学同位素效应（KIE）揭示反应速率控制步骤

  • InO₄(OH)₂位点通过氢键实现CO₂原位捕集-还原

  • In-N₄位点氧还原形成"电子泵"效应，提升电子利用效率

 

真实环境性能验证

在真实自然环境条件下，系统展现出优异的CO₂转化和尿素合成性能，验证技术可行性。

​性能卓越表现：​​

  • 真实空气中CO生成速率达272.1 μmol·g⁻¹·h⁻¹

  • 400ppm CO₂浓度下转化率高达98%

  • 自然光照下尿素生成速率32.4 μmol·g⁻¹·h⁻¹

  • 成功获得高纯度尿素粉末样品

  • 系统稳定性良好，适应开放环境

 

尿素合成与产物分离

通过CO₂还原与氨氧化耦合策略，实现尿素合成，解决低浓度产物分离难题。

​技术集成优势：​​

  • 气相CO产物转化为液相尿素，简化分离过程

  • 28cm×28cm催化膜放大实验验证规模化潜力

  • 太阳光驱动，能源需求低

  • 产物纯度髙，直接应用价值大

 

应用前景与总结

MOF复合催化剂与漂浮式平台为人工碳循环提供创新解决方案，推动绿色尿素合成技术发展。

​创新价值总结：​​

  • 突破低浓度CO₂直接转化技术瓶颈

  • 氧增强效应为催化设计提供新视角

  • 科学指南针计算支持机理解析关键作用

  • 为碳氮资源协同转化提供可行路径

​应用前景：​​

  • 分布式尿素绿色合成系统

  • 沿海地区碳氮资源化利用

  • 可再生能源耦合储能平台

  • 环境治理与资源回收一体化

论文信息：Nature Communications, 2025, 16, 10493

DOI：10.1038/s41467-025-10493-0

​科学指南针计算服务​：提供吸附能、吉布斯自由能计算支持，助力催化反应机理解析与材料设计。了解更多：https://www.shiyanjia.com/simulate.html【科学指南针·服务声明·2025】