华东理工大学副教授阚淼、教授张金龙团队提出“偏析工程化极化”策略，构建了适用于温和条件下太阳能驱动尿素合成的高效硅基光阴极材料，揭示了半导体/金属界面极化与双金属活性位点极化在多底物、多电子反应中的协同调控机制，为高效光电催化C–N偶联体系的设计提供了新思路。相关研究成果近日发表于《先进材料》。

尿素是农业生产与化学工业领域最为重要的含氮化学品之一。传统工业尿素合成通常依赖哈伯—博施法制备氨，再经博施—迈泽过程与二氧化碳（CO₂）反应生成尿素，存在能耗高、反应条件苛刻、碳排放压力大等诸多问题。

近年来，光电化学技术为绿色尿素合成提供了全新路径，其中通过协同还原CO₂和硝酸盐（NO₃^-）直接构建C–N键并生成尿素的技术路线，兼具碳资源利用、含氮废水治理、推动绿色氮循环等多重优势。但该反应涉及多个复杂步骤，易受到副反应竞争干扰。如何在温和条件、低偏压甚至无外加偏压条件下实现CO₂与NO₃^-的共还原，并达成二者反应速率的有效协同与精准匹配，是实现高效光电化学尿素合成面临的核心挑战。

围绕这一挑战，研究团队在p型硅光阴极表面负载了具有纳米尺度相偏析特征的Pd–Cu催化层，形成Si/Pd–Cu光阴极。研究发现，通过金属辅助化学蚀刻法得到的Pd–Cu纳米颗粒是由Cu富集区、Pd富集区、低结晶Pd–Cu合金及氧化Pd–Cu物种共同组成的多相偏析结构。

这种结构在不同尺度上产生协同作用。一方面，Cu富集区域与p-Si界面形成类似肖特基结的能带弯曲，有利于增强内建电场并促进光生电子从硅基底向催化层转移。另一方面，Pd富集区域中形成Pd^δ+–Cu^δ?极化位点，可同时调控CO₂衍生中间体和NO₃^-衍生中间体的吸附与活化，从而促进C–N偶联过程。活性测试结果表明，优化后的Si/1Pd–3Cu光阴极在AM 1.5 G光照下表现出优异的光电化学尿素合成性能。

在此基础上，研究团队对Si/1Pd–3Cu光阴极进行超薄碳层包覆以提升稳定性，并与BiVO₄光阳极及钙钛矿光伏电池组装成串联光电化学器件，实现了无外加偏压条件下的太阳能驱动尿素合成。

基于偏析工程化极化的高选择性硝酸盐与二氧化碳共还原尿素合成。研究团队供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.73759