基于电化学手段，实现温室气体CO₂和含氮废水中的硝酸盐的共还原，是绿色合成尿素的一种重要途径。在该反应过程中，一般认为CO₂和硝酸盐会首先分别发生还原，而最为关键的C-N偶联过程则发生在CO₂还原中间体（如*CO）和硝酸盐还原中间体（如*NH₂）之间，这也就意味着尿素电合成的催化剂需要同时具备CO2和硝酸盐还原活性，因此极大地限制了催化剂的选择范围。

近日，中国科学院化学研究盛桦课题组提出了一种电合成尿素中的串联机制：选择仅具备硝酸盐还原活性的催化剂，其首先还原硝酸盐形成表面胺基基团（*NH₂），由于胺基对CO₂的天然的捕集能力，游离的CO₂可以与*NH₂作用而发生捕集和活化，进而实现C-N偶联，合成尿素。作为概念验证，当使用MIL-125-NH₂衍生的TiO₂-C催化剂时，其在水相还原CO₂的效率极低（法拉第效率<5%），而在同时存在NO₃^-和CO₂的条件下，该催化剂在-0.9 V （vs. RHE）的电位下，尿素生成速率达到43.4 mmol g^-1 h^-1，法拉第效率达到48.9%。即使在低浓度CO₂（15%）的情况下，尿素生成的法拉第效率仍能保持在42.3%。

利用原位ATR-FTIR光谱，在尿素合成的过程中，首先观察到1631 cm^-1的*NH₂红外谱峰，当*NH₂中间体积累到一定强度后，2342 cm^-1处的游离CO₂的谱峰开始发生衰减，与此同时，出现了1665、1406和1370 cm^-1的谱峰，经过同位素标记分析对比，证实了这一系列谱峰归属于*NH₂与游离CO₂发生偶联反应而产生的关键的*NH₂COO^-中间物种。

通过理论计算进一步证明了表面*NH₂通过与游离CO₂之间酸碱相互作用，可以显著降低CO₂活化的反应势垒，促进了C-N偶联过程的发生。该项研究为尿素合成电催化剂的筛选和设计提供了新的思路，扩大了催化剂的选择范围。同时该反应路径更有利于实现在更为实际的低CO₂浓度下的尿素合成。