​赵运宣/张铁锐AM：TiO2固定可逆单原子Cu加速电子转移动力学增强尿素人工光合作用

随着世界人口的增加，尿素作为一种商业氮肥，将成为农业生产力的一个日益增长的组成部分。工业尿素生产主要依赖于NH₃和CO₂在苛刻条件下的耦合，这一过程能耗大，在世界范围内是一个多循环过程，氨的消耗量巨大造成了额外的能源和环境问题。光催化作为一种可持续发展的技术，有望为在温和条件下利用N₂、CO₂和H₂O 直接绿色合成尿素提供一个新的视角。然而，光催化电子转移效率低下的问题严重阻碍了其可行性，特别是在上述多电子需求的尿素合成方面。

因此，中国科学院理化所赵运宣和张铁锐（共同通讯）等人报道了利用 TiO₂固定可逆单原子铜（Cu SA-TiO₂）加速电子转移动力学的有效策略，以提高N₂、CO₂和H₂O中尿素的光合作用性能。

本文报告的基于TiO₂光催化剂，Cu SA-TiO₂可以加速电荷转移动力学，用于在纯H₂O存在下使用N₂和CO₂分子轻度光催化合成尿素，产量高达432.12 μg g_cat^-1。通过系统的研究（如准原位电子顺磁共振和飞秒时间分辨的光生电子动力学等测试），揭示了设计的Cu SA-TiO₂中单原子铜的可逆性及其诱导的光生电子的快速提取率。

与Cu SA-TiO₂相比，Cu⁰ -TiO₂在辐照前后和再生后的最大电子提取时间几乎恒定（~4.30 ms），明显缺乏加速光生电子提取速率的可逆性或可恢复性。Cu SA-TiO₂的快速提取光生电子（比参考光催化剂快30倍以上）将使 Cu SA-TiO₂的改善性能合理化，以确保丰富和连续的光生电子和富含电子的Cu位点用于分子活化（例如 N₂，CO₂和 H₂O）和 C-N耦合，确保了N₂、CO₂和H₂O对多电子需求的尿素光合作用的供应，从而促进了尿素光合作用。

合成尿素工业对氨的高度依赖和高耗能的多步反应过程严重阻碍了工业的可持续发展。针对这些问题，提出了在温和条件下，在纯H₂O中直接光催化N₂和CO₂合成绿色尿素的方法，从根本上避免了对氨的高度依赖，简化了合成过程。这项工作证明了可逆单原子Cu加速电子转移动力学提高了利用太阳能的尿素光合作用，为人工尿素光合作用和其它多电子需求的光催化反应提供了一条高效、有前景的途径。

Accelerating electron-transfer dynamics by TiO₂ -immobilized reversible single-atom copper for enhanced artificial photosynthesis of urea, Adv Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202207793.

https://doi.org/10.1002/adma.202207793.