近日，我院殷立峰副教授联合中国地质大学（北京）代云容副教授、物天学院华青松教授团队在《Nature Communications》发表题为“Thermal sculpting of nanoconfined single-atom cavities enables urea electrosynthesis with near-unity selectivity”的研究论文。

尿素是全球产量最大的氮肥品种，也是重要的基础化工原料。传统工业合成尿素依赖高温高压的合成氨—尿素工艺，能耗高、碳排放强度大。利用可再生电力驱动CO2与硝酸盐（NO3-）共还原直接合成尿素，有望在温和条件下实现化肥的绿色制造，并将工业烟气碳源与废水中硝酸盐“变废为宝”。然而，尿素电合成涉及多步还原与C–N偶联，CO2与NO3-还原动力学不匹配，加之析氢、产氨等竞争副反应，使含碳、含氮中间体难以在开放界面有效富集并及时偶联，限制了目标产物的选择性与产率。如何通过催化剂结构设计，实现关键中间体的空间富集与活性位点电子结构的协同调控，是突破尿素电合成效率瓶颈的关键科学问题。

针对上述挑战，研究团队提出基于沸石咪唑酯骨架（ZIFs）的可编程热雕刻策略，通过精准调控Zn节点的还原与气化温度，利用Zn的“内部牺牲模板”效应，在碳基骨架内部刻蚀出1.5–1.8 nm的纳米限域空腔，并在其中稳定锚定原子级分散的Cu–N4单原子位点。900 ℃热解样品兼具适宜的孔道尺寸与高原子分散度，为催化反应提供了理想的限域空间。

研究结果表明，催化剂在气体扩散电池中实现了98.9%的尿素法拉第效率和71.32 g·gcat-1·h-1的产率，显著优于已报道产品，直接证明了纳米限域空腔的关键作用。研究团队进一步研发了模块化零间隙膜电解装置，系统连续稳定运行300小时，尿素法拉第效率仍保持在约90%，展现出良好的放大应用前景。

图1. 纳米限域单原子催化剂的可编程热雕刻构筑与形貌表征

研究团队进一步结合分子动力学模拟、密度泛函理论（DFT）计算与原位拉曼、原位红外光谱，揭示了纳米限域促进C–N偶联的作用机制。分子动力学模拟表明，限域空腔可实现*CO与*NO中间体的均衡共富集：较小的空腔因空间位阻限制反应物进入，较大的空腔则因分子迁移过于自由而不利于偶联。纳米限域对Cu位点施加压缩应变，使Cu d带中心上移；原位光谱实时捕捉到*CO、*NO、*CONO及N–C–N信号的动态演变，从实验上证实了上述机制。研究团队还建立了可定量评价限域能力的描述符，与尿素电合成性能呈正相关，为限域催化剂的理性设计提供了定量依据。

图2. 纳米限域促进C–N偶联的反应机制解析

该研究从催化剂设计、电化学性能到微观反应机理，系统验证了纳米限域单原子催化剂的技术优势，为高效电催化尿素合成提供了全新的纳米限域设计范式，也为CO2资源化、含氮废水利用及绿色低碳化工发展开辟了新路径，有望在绿色化工、废水资源化和低碳农业等领域产生重要影响。

北京师范大学环境学院为论文第一单位，杨博轩博士为论文第一作者；北京师范大学环境学院殷立峰副教授、中国地质大学（北京）代云容副教授及物天学院华青松教授为论文共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、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柔性引才计划的资助。

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