随着化石燃料的过度使用，CO₂ 的过量排放使环境与气候变化等问题日益突出。利用可再生能源，以二氧化碳（CO₂）和硝酸根（NO₃⁻）为原料电催化生产尿素，不仅可以降低温室气体的浓度，还能够替代传统的工业Bosch-Meiser 工艺，为全球碳平衡的可持续发展提供有效的策略。目前，电催化合成尿素面临的主要困境是选择性不理想。合成尿素的途径需要NO₃−还原反应（NO₃RR）产生的含氮中间体和二氧化碳还原反应（CO₂RR）产生的含碳中间体之间发生C-N 耦合。在催化体系中，CO₂RR 途径和NO₃RR 途径常常与尿素途径产生强烈竞争，导致尿素途径被抑制。研究者们通常设计具有双重位点的催化剂来分别催化CO₂RR 和NO₃RR 过程，从而匹配后续的C-N 耦合步骤。然而，电合成尿素共包含18 个连续基元步骤，每个步骤都具有独特的能量和时间特性，仅调控C-N 耦合步骤不足以实现尿素的高选择性。因为在实际的催化体系中，一个固定的活性中心不可能同时有利于多个活性中间体的吸附和解离。虽然直接构建具有双重位点的催化剂对电合成尿素性能做出了重大贡献，但在同一催化系统中同时优化多个连续反应步骤仍是一项具有挑战性的任务。

针对上述问题，吉林大学苏忠民教授/刘靖尧教授、华南师范大学兰亚乾教授团队合作构建了一个动态系统，能够精确控制催化位点的电荷密度分布，从而调节电合成尿素的多个连续步骤，实现高效的尿素合成。研究者们将Au 原子嵌入到共面的Cu₇^II簇基三维框架中（Au@cpCu₇ CF），打破了原始cpCu₇ CF 的电荷对称性。在动态条件下，随着脉冲电位在−0.2 V 和−0.6 V（相对于可逆氢电极）之间切换，Au@cpCu₇ CF 中Au 和Cu 原子之间的不对称电荷分布程度发生了周期性的动态变化。这种动态可控的电荷振荡能够调节电合成尿素中的多个连续步骤。理论计算结果表明，Au@cpCu₇ CF 的表面电荷密度对施加的电位具有强的响应性。当电位切换至−0.6 V 时，具有高电荷密度的Au 原子增强了对*HNO₂ 和*NH₂ 中间体的吸附，从而抑制了副产物生成路径；在−0.2 V 的低电位下，Au 和Cu 原子位点之间的电荷分布促进了热力学C–N 耦合。研究人员探讨了不对称电荷分布的动态调控在尿素电合成中的重要作用，为未来动态电催化研究提供了参考。相关研究成果近期发表在了Adv. Mater.杂志（Adv. Mater. 2024, 2408510）。

动态控制Au@cpCu₇ CF 催化剂的不对称电荷密度分布并应用于调节尿素电合成中多步连续反应的示意图