尿素是农业生产中广泛使用的重要氮肥，也是基础化工原料。传统尿素生产依赖高温高压工艺，能源消耗和碳排放较高。利用可再生电能，将二氧化碳（CO₂）和硝酸盐（NO₃⁻）直接转化为尿素，为绿色化工生产与工业废弃物资源化利用提供了新途径。然而，电催化过程中碳、氮反应中间体生成速率不匹配、副反应竞争以及碳氮偶联效率不足，制约了尿素合成的选择性和产率。近日，北京师范大学环境学院副教授殷立峰、物理与天文学院/文理学院教授华青松与中国地质大学（北京）科研团队合作，在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表题为“Thermal sculpting of nanoconfined single-atom cavities enables urea electrosynthesis with near-unity selectivity”的研究论文，提出纳米限域单原子催化剂的热雕刻构筑策略，实现了法拉第效率达98.9%的高选择性尿素电合成。

从基础科学原理来看，电化学反应界面的微观结构、局域电场、电子态以及电荷与物质输运之间的耦合关系，是影响电化学能源转化与存储性能的重要因素。通过界面结构与电子态的协同调控，优化物质输运和界面反应动力学，是电催化合成、电解水制氢及固态电池研究中的共性科学问题。该研究通过纳米限域结构与单原子活性位点的协同设计，实现了对反应中间体吸附、迁移及碳氮偶联过程的有效调控，不仅为高效尿素电合成提供了新的设计思路，也为硫化物全固态电池中的离子输运与界面稳定性调控，以及电解水制氢中的催化活性位点设计与反应动力学优化提供了跨领域的研究启示。

研究团队提出基于沸石咪唑酯骨架（ZIF）的可编程热雕刻方法，通过精确控制锌节点的热气化过程，在碳基骨架内部构筑尺寸为1.5—1.8纳米的限域空腔，并在其中稳定分散Cu–N₄单原子活性位点。该方法实现了催化活性位点与纳米限域空间的协同调控，使二氧化碳和硝酸盐还原产生的关键中间体能够在有限空间内富集并发生高效碳氮偶联，同时抑制析氢等竞争反应。

图1 纳米限域单原子催化剂的热雕刻构筑过程及微观结构

研究团队结合原位拉曼光谱、原位红外光谱、分子动力学模拟和密度泛函理论计算，揭示了纳米空腔几何尺寸、局部电场及铜原子电子结构对碳氮偶联反应的协同调控机制。研究发现，适宜的纳米限域空间不仅有利于稳定吸附态CO和NO中间体，还能够调节铜原子的d带电子结构，降低碳氮偶联反应能垒。在此基础上，团队建立了纳米限域效应定量描述符，为高性能单原子催化剂的理性设计提供了新的理论依据。

实验结果表明，优化后的tZIF-Cu900催化剂在气体扩散电极反应体系中，尿素法拉第效率达到98.9%，单位催化剂质量的尿素产率达到71.32 g·gcat⁻¹·h⁻¹。进一步采用模块化零间隙膜电解装置，以工业废气和富硝酸盐废水为原料开展中试规模验证，系统连续稳定运行300小时，尿素法拉第效率保持在约90%，展现了该技术的放大应用潜力。技术经济分析表明，在考虑碳资源利用及废水处理收益等特定条件下，该工艺具有降低尿素生产成本的潜力。

 

图2 尿素电合成中试装置及300小时连续运行性能

该研究为纳米限域单原子催化剂的理性设计提供了新的科学依据，也为二氧化碳资源化、含氮废水利用及绿色化工技术发展提供了新的研究思路。

北京师范大学环境学院杨博轩为论文第一作者，北京师范大学环境学院副教授殷立峰、中国地质大学（北京）副教授代云容及北京师范大学物理与天文学院/文理学院教授华青松为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家自然科学基金联合基金及北京市昌平区相关科技项目的支持。

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-79024-4