近日，我校材料科学与工程学院吴玉程教授团队在CO2与硝酸盐电催化共还原直接合成乙酰胺研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Direct electrosynthesis of acetamide from CO2 and nitrate via an atomically engineered dual-site catalyst”为题，在线发表于国际知名综合性期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
酰胺类化合物是药物、聚合物和精细化学品的重要结构单元。传统乙酰胺生产通常依赖高温热化学反应，不仅能耗较高，而且需要以工业合成氨作为氮源。利用可再生电力驱动CO2和硝酸盐等小分子的共还原反应，为在温和条件下合成乙酰胺提供了一条可持续途径，同时有望促进碳资源利用和含氮污染物循环转化。然而，直接由CO2和NO3−合成乙酰胺需要依次完成CO2向CO转化、C–C偶联、硝酸盐还原以及C–N键形成等多个反应步骤。不同反应路径在动力学和空间上相互竞争，容易造成关键碳、氮中间体供给不匹配，限制乙酰胺的生成效率。
针对上述问题，我校吴玉程教授课题组王岩教授、张剑芳副教授和博士生夏帅等人构筑了由氮掺杂碳基体负载的原子级双位点催化剂Ni-SA/Cu-NCs，其中原子分散的Ni位点与Cu纳米簇相邻分布，通过空间分工与电子协同实现多步反应的高效衔接。Ni单原子位点选择性催化CO2还原生成*CO，为后续反应提供碳中间体；邻近的Cu纳米簇则促进*CO二聚化形成*CCO，并同步催化NO3−还原生成*NH2。两类活性位点的紧密邻接促进了中间体的快速转移和局域化C–N偶联，有效缓解了活性位点竞争，从而提高了乙酰胺生成的选择性。得益于上述协同作用，该催化剂在215.7 mA cm−2的工业级电流密度下实现了257.3 mmol h−1 gcat. −1的乙酰胺产率，并可稳定运行超过160 h，展现出优异的反应活性与长期稳定性。
图1 Ni-SA/Cu-NCs催化剂的结构及原子级双位点构型
图2 Ni-SA/Cu-NCs催化剂电合成乙酰胺的性能
原位光谱研究揭示了*CCO和*NH2等关键反应中间体在催化剂表面的动态形成过程。理论计算和过渡态分析进一步表明，Ni与Cu之间的电子耦合能够优化局域电子结构，增强催化剂对CO2和NO3−的吸附与活化，并降低*CO二聚化以及*CCO与*NH2偶联等关键步骤的反应能垒。上述结果表明，Ni单原子与Cu纳米簇之间的空间与电子协同作用实现了中间体生成与偶联步骤间的有效动力学匹配，从而共同驱动乙酰胺的高效生成。
图3 Ni-SA/Cu-NCs催化剂上乙酰胺形成的反应机理
本研究将碳原料由CO拓展至来源更加丰富的CO2，通过构建具有互补功能的原子级双位点催化剂，协调CO2活化、C–C键形成和C–N键形成等串联反应步骤。该研究为多活性位点催化剂的原子级设计提供了新的思路，也为利用丰富小分子绿色合成高附加值含氮化学品提供了新的技术路径。
上述研究依托先进能源与环境材料国际科技合作基地、安徽省先进能源材料国际科技合作基地、先进功能材料与器件安徽省重点实验室等科研平台，相关研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项、安徽省江淮英才培养计划团队项目和高等学校学科创新引智基地（111计划）等项目的支持。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-026-76064-8
（王岩/文 张剑芳/图 薛传妹/审核）
责任编辑：刘红平
