尿素是化学史上具有标志性意义的有机化合物，也是现代农业和化工生产中最重要的基础化学品之一。目前，工业尿素合成通常依赖高温高压条件。如何在温和条件下实现 CO2 与含氮小分子的高效转化，是绿色化学、碳资源利用和生命起源前化学共同关注的问题。近年来，水微液滴因其独特的气-水界面、电场环境和反应物富集效应，被认为可能驱动许多在体相溶液中难以发生的化学转化。已有实验报道显示，CO2 与 NH3 可在微液滴界面自发生成尿素，但由于关键中间体寿命极短，直接捕捉并解析其反应路径一直存在困难。

针对这一问题，北京师范大学朱重钦教授研究团队构建了包含显式水界面的微液滴模型，采用 QM/MM 方法并结合分步多子相空间元动力学方法（SMS-MetaD），系统比较了 CO2/NH3 生成尿素的多条可能路径。研究发现，富氨条件是打开低能垒反应通道的关键：在水微液滴气-水界面，充足的 NH3 不仅作为反应物参与 C-N 键形成，还可通过质子转移协同稳定反应中间体。具体而言，CO2 首先与两个 NH3 分子形成 H2NCOO-···NH4+ 离子对，该步骤自由能垒约为 9.4 kcal/mol，并可在界面电场作用下进一步降低至约 4.4 kcal/mol；随后，第三个 NH3 分子对该离子对发生亲核进攻，并伴随协同质子转移，以约 8.1 kcal/mol 的低能垒生成尿素。相比之下，传统气相路径或经中性氨基甲酸（H2NCOOH）的路径能垒较高，难以解释常温条件下的高反应活性。

该机制还解释了此前微液滴实验中的两个看似矛盾的现象：一方面，在 CO2/NH3 单液滴反应中难以检测到氨基甲酸盐信号；另一方面，单独喷雾氨基甲酸铵微液滴又不能直接观察到尿素生成。研究表明，H2NCOO-···NH4+ 离子对在界面处寿命极短，估算约为 5.9 ns，因此其稳态浓度可能低于常规质谱检测限；同时，离子对向尿素转化需要额外 NH3 参与，缺少过量氨时，反应更倾向于解离回 CO2 和 NH3。团队进一步通过富氨条件下的微液滴实验观察到尿素特征信号，为理论预测提供了实验支持。

该工作提出了微液滴气-水界面上由离子对介导的低能垒尿素生成通道，表明界面局域电场、反应物富集效应和质子转移网络能够协同调控小分子反应过程。研究不仅为 CO2 与 NH3 在温和条件下转化为尿素提供了原子尺度解释，也为理解微液滴化学在绿色合成和生命起源前有机分子形成中的潜在作用提供了新的理论依据。

相关研究成果以 “Ion-Pair Mediation Enables Ambient Urea Formation from CO2 and NH3 in Microdroplets” 为题，发表在《Journal of the American Chemical Society》。北京师范大学为该工作的第一单位；北京师范大学化学学院博士研究生白琪和李晓姣为论文共同第一作者，北京师范大学化学学院朱重钦教授为通讯作者。