Behebung des kinetischen Ungleichgewichts bei der elektrokatalytischen C-N-Kopplung: Katalysatordesign zur selektiven Harnstoffsynthese

Die elektrokatalytische Synthese von Harnstoff aus CO2 und NO3- bietet einen vielversprechenden nachhaltigen Dekarbonisierungsweg für die Düngemittelproduktion. Allerdings wird ihre Effizienz durch die langsame Kinetik der C-N-Kopplung und das intrinsische kinetische Ungleichgewicht zwischen gasförmigem CO2 und wässrigem NO3- behindert. Um diese Herausforderungen anzugehen, fasst diese Überprüfung systematisch die jüngsten Fortschritte in mechanistischen Studien und katalytischen Strategien zusammen, die darauf abzielen, das kinetische Ungleichgewicht in der C-N-Kopplung zu beheben. Wir beginnen mit der Einführung grundlegender Parameter und möglicher Mechanismen der elektrokatalytischen Harnstoffproduktion durch C-N-Kopplung. Anschließend konzentrieren wir uns auf das Katalysatordesign und erläutern zentrale Strategien wie Dual-Site-Synergie, Tandemkatalyse, dynamische aktive Stellen und räumliche Einschränkungseffekte, die gemeinsam darauf abzielen, die Reaktionskinetik zu modulieren und die selektive Kopplung von Intermediaten zu fördern. Darüber hinaus ist das Design von Elektrolyten und Reaktoren entscheidend für die Optimierung der Reaktionsumgebung. Obwohl es noch eine Lücke zwischen der aktuellen Leistung und den industriellen Anforderungen gibt, hat die elektrokatalytische Harnstoffsynthese ein enormes Potenzial als Schlüsselweg zur Erreichung einer grünen Düngemittelproduktion und Kohlenstoffneutralität. Dieses Potenzial kann durch Erkenntnisse zur Kontrolle von Maßstab und räumlicher Struktur, betrieblichen Mechanismen, zur Gestaltung des Reaktionsmikro-Umfelds und zur Etablierung standardisierter Bewertungsprotokolle verwirklicht werden. Interdisziplinäre Zusammenarbeit und technologische Innovation in der gesamten Kette sind entscheidend für den Fortschritt in diesem Bereich zu praktischen Anwendungen.