第一作者：李鹏松
通讯作者：韩布兴，朱庆宫，李鹏松
通讯单位：中国科学院化学研究所
论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202514321
本文提出了一种基于CO2介导策略的甘氨酸电化学合成新方法，通过Pb/Pb7Bi3异质界面催化剂，在CO2饱和的0.1 M草酸和0.1 M硝酸钾电解质中，实现了91.8 %的甘氨酸法拉第效率（FE），并在120小时内保持稳定。当采用非热等离子体激活的N2作为氮源时，甘氨酸生产速率达94.4 μmol h-1 cm-2，N选择性高达93.2 %。研究揭示CO2在异质界面上形成*OCOH中间体，为草酸和硝酸盐的还原提供氢源，显著降低关键氢化步骤的能量壁垒，促进高效的C-N键形成。
甘氨酸作为重要的有机氮化学品，广泛应用于制药、农用化学品和生物材料领域。传统合成方法（如Strecker合成、Gabriel合成）依赖有毒氰化物、反应条件苛刻且副产物多，导致环境和经济负担。电化学合成虽提供可持续替代方案，但传统强酸电解质系统易引发副反应和低效质量传输，限制甘氨酸选择性。因此，开发高效稳定的甘氨酸电化学合成方法仍是关键挑战。
1. 催化剂设计：一步电沉积制备 Pb 纳米棒，可控引入 Bi 形成Pb7Bi3金属间相，构建 Pb/Pb7Bi3异质界面；Bi 含量 9.8 wt % 的 PbBi-II 性能最佳。
2. CO2介导催化机制：首次发现 CO2并非牺牲试剂，而是可循环的“质子-电子-氢”中介——生成 *OCOH，动态供氢并降低关键氢化步骤能垒（草酸氢化 RDS 从 0.47 → -0.16 eV；硝酸根氢化 RDS 从 0.34 → -0.72 eV）。
3. 高选择性与稳定性：甘氨酸 FE为 91.8 %，产率为172.9 μmol h-1 cm-2，稳定 120 h。
4. 氮源普适：非热等离子体活化 N2 亦可高效耦合，为“空气-二氧化碳-可再生电力”直接合成氨基酸提供了范例。
图 1、CO2可循环氢供体在Pb/Pb7Bi3异质界面上可持续合成甘氨酸。
图 2、通过XRD、SEM、TEM等表征催化剂的晶体结构（Pb(111)和Pb7Bi3(102)异质界面）及元素分布。
图 3、对比Pb与PbBi-II催化剂的产物分布，显示Bi抑制NH3路径、促进C-N偶联；CO2饱和条件下甘氨酸选择性与速率提升；120小时稳定性及与非热等离子体N2结合的性能优势。
图 4、Operando XANES 证实Pb、Bi 全程金属态；CO2的引入分别促进了草酸和硝酸根的还原加氢过程。
图 5、 Operando ATR-FTIR 发现 1265 cm-1的 *OCOH 特征峰。DFT 计算 Gibbs 能垒，CO2/*OCOH将 RDS 变为自发。揭示CO2介导的*OCOH中间体形成与氢转移机制，阐明CO2对草酸和硝酸盐还原的协同促进作用。
本研究通过CO2与Pb/Pb7Bi3异质界面共催化，实现了甘氨酸的高效绿色合成，为氨基酸C-N键构建提供了可持续平台。未来可探索其他金属异质界面及CO2活化机制，优化催化剂与反应条件，推动甘氨酸及其他有机氮化学品的工业化应用。构建连续流电解槽，解决传质与产物分离问题，实现工业级电流密度；将草酸替换为生物质衍生的其他 C2 或 C3平台分子，合成丙氨酸、丝氨酸等高值氨基酸；与可再生电力（光伏、风电）及碳捕集装置集成，构建“绿电-碳源-氮源”一体化柔性生产平台，推动碳中和目标下的绿色化工转型。
感谢国家重点研发计划，国家自然科学基金, 中国科学院青年科学家基础研究项目, 中国科学院青年创新促进会，碳中和光子科学中心，河北省科技计划的支持。同时感谢北京同步辐射装置 1W1B 线站和上海同步辐射光源 BL14W1 线站的机时与技术支持。
Pengsong Li*, Yong Wang, Xiangda Zhang, Congyang Wang, Yuqing Hou, Ganwen Zhang, Xihua Wang, Lihong Jing, Qingli Qian, Xinchen Kang, Xiaofu Sun, Qinggong Zhu*, Buxing Han*, Efficient Glycine Electrosynthesis via CO2-Recyclable Hydrogen Donation on Pb/Pb7Bi3 Heterointerfaces, Angew. Chem. Int. Ed.. 2025, e202514321.
李鹏松，中国科学院化学研究所助理研究员，获得第5批博士后创新人才支持计划、国家自然基金委青年科学基金项目、中国科学院特别研究助理资助项目和中国博士后科学基金第68批面上资助的资助。目前研究方向为功能材料/电解液设计优化及碳/氮绿色催化体系性能研究。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Bull.等期刊发表论文40余篇，H因子30。
朱庆宫，中国科学院化学研究所研究员。获国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（结题优秀）。于2014年加入韩布兴院士领导的科研团队，开展电化学和绿色化学方面的交叉研究工作。主要从事高效电催化剂设计、电催化CO2转化、电化学有机合成等方面的研究工作。在电解液与催化材料设计有机结合，发展CO2高效电催化转化新方法方面取得系列创新性研究成果，形成了鲜明的特色和优势。近5年，在Nat. Synth、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文50余篇，申请发明专利10项（授权4项）。任中国化学会二氧化碳专业委员会委员、Carbon and Hydrogen 编委、Chemical Synthesis 青年编委、物理化学学报 青年编委、高等化学学报客座编辑等。获2022年中国科学院杰出科技成就奖（绿色化学与技术研究集体）-主要完成者。
韩布兴，中国科学院化学研究所研究员、英国诺丁汉大学荣誉教授，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、英国皇家化学会会士，中国科学院胶体界面与化学热力学重点实验室主任，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室主任。现任创新中国智库首席科学家、中国化学会绿色化学专业委员会主任，曾任国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）绿色化学分会主席、IUPAC第三学部领衔委员、中国化学会化学热力学与热分析专业委员会主任等。主要从事物理化学与绿色化学的交叉研究，在绿色溶剂体系物理化学性质、生物质和二氧化碳转化利用研究方面取得系统性成果。韩布兴课题组主要从事物理化学与绿色化学交叉研究；设计催化材料-绿色溶剂体系，采用热催化、电催化和光催化等手段，发展高效绿色反应路线，实现CO2、生物质和废弃塑料的转化利用，以绿色碳资源为原料生产化学品、能源产品和材料。
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