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Aug 03, 2023

Elektrosynthese von Harnstoff mit Nitrat und Kohlendioxid über Eisen bei Umgebungstemperatur

25. November 2022 von Zhang Nannan, Chinesische Akademie der Wissenschaften Harnstoff (CO(NH2)2) wird sowohl im landwirtschaftlichen als auch im pharmazeutischen Bereich eingesetzt. Das weit verbreitete Bosch-Meiser-Verfahren hat eine hohe Energie

25. November 2022

von Zhang Nannan, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Harnstoff (CO(NH2)2) wird sowohl im landwirtschaftlichen als auch im pharmazeutischen Bereich eingesetzt. Das weit verbreitete Bosch-Meiser-Verfahren weist einen hohen Energieverbrauch und CO2-Ausstoß auf. Daher ist es unerlässlich, energiesparende und wirtschaftliche Wege für die Harnstoffsynthese unter milden Bedingungen zu erkunden.

Die Elektrosynthese von Harnstoff mit CO2 und NO3 unter Umgebungsbedingungen ist ein effizienter Weg, aber weit von der Anwendung entfernt. Dies liegt daran, dass der Schlüsselschritt einen effizienten Elektrokatalysator erfordert, der die Adsorption und Aktivierung von NO3- und CO2 ermöglicht, um die CN-Kupplung durchzuführen.

Forscher der Hefei-Institute für Physikalische Wissenschaften der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben nun eine Flüssigphasen-Laserbestrahlungsmethode entwickelt, um symbiotische, in Kohlenstoff eingekapselte amorphe Eisen- (Fe(a)@C) und Eisenoxid-Nanopartikel (Fe3O4-NPs) auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen herzustellen (bezeichnet als Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs).

Die so hergestellten Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs enthielten zwei aktive Komponenten auf Fe-Basis, nämlich Fe@C-NPs mit Partikelgrößen von 10–20 nm und Fe3O4-NPs mit Partikelgrößen von 1–5 nm.

Das Vorhandensein zweier unterschiedlicher Struktureinheiten in Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs ermöglichte die synergistische elektrokatalytische Aktivierung von CO2 und NO3-, um die CN-Kopplung für die Harnstoffsynthese zu realisieren.

Wie erwartet zeigten Fe(a)@C-Fe3O4/CNTs eine überlegene Aktivität bei der elektrokatalytischen Kopplung von CO2 und NO3- für die Harnstoffsynthese und führten zu einer Harnstoffausbeute von 1341,3 ± 112,6 μg h-1 mgcat-1 und einer Faradischen Effizienz von 16,5 ±6,1 % bei -0,65 V (vs. RHE) in 0,1 M KNO3-Elektrolyt.

Sowohl experimentelle als auch theoretische Ergebnisse zeigten, dass Fe(a)@C hauptsächlich für die elektrokatalytische Reduktion von NO3- zur Bildung von *NH2-Zwischenprodukten verantwortlich war, während Fe3O4 für die elektrokatalytische Reduktion von CO2 zur Bildung von *CO-Zwischenprodukten vorteilhafter war.

Der synergistische katalytische Effekt trägt zur hervorragenden elektrokatalytischen Leistung der Harnstoffsynthese bei Umgebungsbedingungen bei.

Die Forschung wurde in der Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.

Mehr Informationen: Jing Geng et al., Umgebungselektrosynthese von Harnstoff mit Nitrat und Kohlendioxid über eisenbasierten Doppelstellen, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2022). DOI: 10.1002/ange.202210958

Zeitschrifteninformationen:Angewandte Chemie International Edition

Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften