尿素是现代农业不可或缺的氮肥核心成分。当前，尿素生产主要依赖传统哈伯—博世法工艺，需在高温高压下由液氨与二氧化碳偶联，能耗巨大且碳排放严重。以可再生电力驱动的电催化C–N偶联，可在温和条件下由NO₃⁻与CO₂直接合成尿素。但该过程长期受制于CO₂与NO₃⁻还原动力学失配限制了C–N偶联选择性。

近日，材料科学与工程学院谭勇文教授团队在这一领域取得重要进展。团队提出了一种基于“双原子对”的催化剂设计新策略，通过构建高密度的Cu-Zn与Au-Zn原子对，有效解决了电催化二氧化碳与硝酸盐共还原合成尿素过程中碳、氮中间体动力学失配的核心难题，为可持续尿素电合成提供了全新的催化剂设计思路。

研究团队通过精准调控，合成了原子级有序的CuAuZn₂金属间化合物。与原子随机混合的金属合金不同，金属间化合物中铜、金、锌原子占据确定的、交替的晶格位置，从而在原子尺度上赋予了高密度Cu-Zn与Au-Zn双原子对的有序排列。光谱表征与理论计算表明，Cu-Zn位点负责高效驱动硝酸盐还原，将反应精准导向*NH₂中间体；相邻的Au-Zn位点则专司二氧化碳还原，高效生成*COOH中间体。由于两类活性位点在有序晶格中原子级交错分布，碳、氮中间体得以在邻近距离内同步产生，大幅提高了C-N偶联概率，同时有效抑制了氨、一氧化碳等副产物的生成。该有序双原子对金属间化合物电极在二氧化碳与硝酸盐共还原合成尿素反应中展现出优异的催化性能，在膜电极组装条件下实现了长时间稳定运行，综合性能处于当前电催化尿素合成领域的领先水平，标志着该技术向实际应用迈出了关键一步。

该研究不仅展示了原子级有序双原子对在C-N键构建中的独特优势，还提出了面向多中间体催化反应的设计原则，相关策略有望拓展至其他C-N偶联反应及高附加值酰胺类化合物的可持续电合成。

研究成果以“Atomically ordered dual atomic pairs in CuAuZn₂intermetallics for efficient urea electrosynthesis”为题，发表在国际顶尖学术期刊《Nature Synthesis》上。湖南大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位，谭勇文教授为通讯作者，湖南大学博士后蓝蛟和吉林大学陈志文教授为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-026-01187-1

来源：材料院

通讯员：张伟

责任编辑：李尹汝