用于高产率室温合成有机脲的拓扑绝缘体催化剂
合成肥料是现代农业最重要的发展之一，使许多国家能够确保稳定的粮食供应。其中，有机尿素(或称有机脲)已成为农作物重要的氮源。由于这些化合物不会立即溶解在水中，而是会被土壤微生物缓慢分解，因此它们提供稳定且受控的氮供应，这对于植物的生长和功能至关重要。
然而，合成有机脲的传统方法由于使用有物质(例如光气)而对环境有害。尽管已经证明了替代的合成策略，但这些策略要么依赖昂贵且稀缺的贵金属，要么采用不易重复使用的催化剂。
为了应对这些挑战，包括日本东京工业大学荣誉教授 Hideo Hosono 在内的研究团队最近致力于解决这些挑战，他们利用硒化铋 (Bi 2 Se 3 ) 的量子特性来合成有机脲。他们的研究将于 2023 年 9 月 23 日在线发表在著名期刊《科学》的姊妹期刊《科学进展》上。
研究人员试图利用 Bi 2 Se 3是拓扑绝缘体这一事实。其极其坚固的表面具有独特的电子特性，使其成为催化应用的有利候选者。因此，该团队制备了Bi 2 Se 3纳米粒子，以最大化催化剂的表面积。他们利用其表面韧性和大的自旋轨道相互作用，从两个胺分子以及一氧化碳 (CO) 和氧气 (O 2 ) 生产各种有机脲衍生物，在许多情况下在室温下实现了几乎 100% 的产率。
为了阐明反应机理，研究小组通过分子模拟研究了 Bi 2 Se 3的表面状态。合成过程的关键步骤之一是从胺中除去氢原子，以便它们随后可以通过-CO基团连接在一起。研究人员发现O 2分子与Bi 2 Se 3 (015)表面上的Bi原子稳定结合，从而将其自旋状态从三重态改变为单重态。这导致O 2分子解离。吸附的解离氧基团将氢从与 Se 结合的胺中拉出，从而发生 CO-胺反应。
“我们发现，Bi 的强自旋轨道相互作用产生的局部磁场使 O 2分子的自旋态从三重态转变为单重态，并且具有更高反应性的单线态 O 2将氢从胺中拉出，减少了所需反应的能量势垒，”Hosono 教授解释道。“这种催化效应是拓扑材料的独特特征以及该反应中 Bi 和 Se 的适当元素选择的结果。”
Bi 2 Se 3催化剂的活性超过了其他含硒化合物以及大多数现有的过渡金属基催化剂。由于其拓扑特征，所提出的催化剂纳米粒子的表面也非常稳定。“催化剂的可回收性是其实际应用中最关键的特性之一。所提出的 Bi 2 Se 3催化剂可以重复使用至少 20 次而不会明显损失催化活性，而其他 Se 基催化剂的产率不断下降，”Hosono 教授强调说。
这项开创性的工作不仅为尿素合成相关的挑战提供了可行的解决方案，而且还展示了利用材料的特定量子特性用于各种新颖应用(包括可持续农业实践)的潜力。
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