近几十年来，过度的工业和农业发展导致大量活性氮释放到环境中，严重破坏了全球氮循环。尤其是硝酸盐作为地下水中最常见的污染物之一，对人类健康和土壤构成了严重威胁。通过电催化硝酸盐还原反应（NO₃-RR）合成NH₃，并在NO₃-RR过程中引入CO₂以实现C-N偶联生成有价值的CO(NH₂)₂，将提供一种环境可持续的生产途径。然而，NO₃-RR及其与CO₂还原的耦合涉及多个电子转移过程，这意味着合成氨和尿素需要较高的反应能垒。合理构建含氮和含碳中间体是NO₃-RR和C-N偶联反应的决定性步骤。目前Cu-Sn催化体系被广泛应用于CO₂RR，而在氨和尿素的电催化合成过程中很少有关于锡和铜氧化物之间存在协同作用的报道，而这种协同作用对中间产物的构型产生至关重要的影响。因此，开发氨和尿素双选择性的Cu基催化剂具有重要意义。

本文采用电化学沉积法获得Sn修饰的Cu₂O异质结构催化剂，并利用流动电解池装置来强化传质。通过改变Sn的沉积时间实现了对Cu表面化学态的调控，使Sn/Cu₂O在不同条件下具有NO₃-RR合成氨以及C-N偶联合成尿素的双功能选择性。经电沉积800s得到的只有Cu⁰的Sn/Cu₂O-β样品在NO₃-RR反应中实现了98.5%的氨法拉第效率和0.496 mmol h^-1 cm^-2的产氨率。在NO₃-RR与CO₂RR偶联反应中，电沉积400s得到具有双相Cu⁰/Cu⁺的Sn/Cu₂O-α样品实现了13.5%的尿素法拉第效率以及32.35 μmol h^-1 cm^-2的尿素产率。同时，原位红外光谱技术监测了C-N偶联过程中Sn/Cu₂O-α样品不同电位下的反应中间体，证实*CONH₂为尿素合成的关键中间体，该结果对C-N偶联反应过程的实现提供了有力证据。

图1.（a）Sn/Cu₂O合成示意图；（b₁-b₃）Sn/Cu₂O-ɑ的TEM和HRTEM图；（c）Sn/Cu₂O-ɑ的EDS图；（d₁-d₃）Sn/Cu₂O-β的TEM和HRTEM图；（e）Sn/Cu₂O-β的EDS图

图2. （a）不同样品的XRD图；（b）Sn/Cu₂O-ɑ，Sn/Cu₂O-β，Sn/Cu₂O-γ样品的Sn 3d XPS图；（c）和（d）Cu₂O，Sn/Cu₂O-ɑ，Sn/Cu₂O-β，Sn/Cu₂O-γ样品的Cu 2p和O 1s XPS图

图3.（a）Sn/Cu₂O-β样品的LSV曲线；（b）Cu₂O、Sn/Cu₂O-α、Sn/Cu₂O-β和Sn/Cu₂O-γ不同电位下的产氨率；（c）Cu₂O、Sn/Cu₂O-α、Sn/Cu₂O-β和Sn/Cu₂O-γ不同电位下合成氨的法拉第效率；（d）不同样品产氨率对比（-0.6V vs. RHE）；（e）不同氮源用于NO₃-RR的1H NMR光谱；（f）Sn/Cu₂O-β样品的循环稳定性测试；（g）本工作与报道的NO₃-RR文献产氨率和法拉第效率对比

图4.（a）Sn/Cu₂O-α的LSV曲线；（b）不同样品的尿素产率；（c）不同样品的尿素法拉第效率；（d）脲酶和DAMO-TSC法计算尿素产率的比较；（e）不同样品尿素产率在-0.4 V vs. RHE性能对比；（f）Sn/Cu₂O-α样品的循环稳定性测试；（g）Sn/Cu₂O-α样品不同电位下CO、H₂、NH₃、NO₂-和urea的FE分布

郭晓辉，二级教授, 博士生导师，目前在西北大学化学与材料科学学院工作。近几年主要从事新型纳米功能材料的自组装、光电功能纳米复合材料，以及电化学储能/催化材料的研究。研究结果在Angew. Chem. Int. Ed，Adv. Mater, InfoMat, Adv. Funct. Mater, Small, Adv. Sci, J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J, Nano Res，ACS. Appl. Mater@Interf等国际知名的学术刊物上发表SCI研究论文80多篇，论文它引5000多次，单篇最高引用800多次，H影响因子36。申请国家发明专利14项，授权专利6项；主持过国家自然科学基金委面上项目，青年基金，联合基金重点项目课题，科技部重点研发计划国际合作重点专项，省/部级等各类科研项目17项；获得过2010年国家自然科学二等奖，2011年陕西省青年科技新星，2013年教育部新世纪优秀人才，2016年陕西省青年科技标兵，2022年陕西省高等学校科学技术一等奖等称号。目前担任国家自然科学基金委，科技部项目，人社部项目，教育部人才项目，国家科技奖的通讯评审专家，还是国际材料类主流期刊：Adv. Mater, AFM, small, CEJ, J. Mater. Chem. A, J. Power. Sources, ACS. APPL.Mater@Interf等杂志的专业审稿人。

Zheng Y, Jia Y, Cao Q, et al. In situ evolution of Sn/Cu₂O heterostructure catalysts for modulating selectivity in electrosynthesis of ammonia and urea. Nano Research, 2025, 18(3): 94907248. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907248.