第一作者： 孙小雯
通讯作者： 于小雯教授、刘宏教授、袁家寅教授
通讯单位： 山东大学晶体材料全国重点实验室
论文DOI： 10.1002/anie.202505675
乙醛酸肟的氢化是甘氨酸电合成过程中的高能耗步骤。迄今为止，针对这一步骤的催化剂设计一直缺乏合理的指导，肟分子的独特特性也常常被忽视。在本研究中，作者利用理论计算框架阐明在过渡金属上甘氨酸电合成的基本机制。通过全面分析竞争反应、质子耦合电子转移过程和解吸步骤，我们发现了乙醛酸肟作为“易活化分子”的独特特性。这一固有特性使具有弱吸附特性的银成为甘氨酸电合成的“理想”催化剂。作者使用超轻泡沫银催化剂时，电合成甘氨酸起始电位仅为-0.09 V（相对于 RHE），创历史新低，甘氨酸产率高达1327 μmol h-1。且该催化剂可在20小时内生产出克级规模的甘氨酸。该研究结果强调了在催化剂设计中考虑反应中间体固有特征的重要意义。
甘氨酸是最简单的氨基酸，是食品和制药业的重要成分，在生命活动中发挥着重要作用。过去几十年来，人们开发了多种甘氨酸合成方法，其中电合成甘氨酸因其高效率、成本效益高和环境友好而成为一种替代氯乙酸氨解法（产物纯度低）和施特雷克法（生产成本高）的绿色合成方法。在此过程中，乙醛酸与羟胺首先自发脱水缩合形成肟（R–C=N–OH），后续肟的加氢是该过程的关键步骤，氢化过程需断裂N–OH键（230 kJ/mol）并将C=N双键（615 kJ/mol）转化为C–N单键（305 kJ/mol），其总能量需求（535 kJ/mol）显著低于氮气还原中较难活化的氮气分子（N≡N键解离能945 kJ/mol）(图1a)。这表明，肟分子的内在特性（如较低活化能）可能更适配具有弱吸附能力的催化剂。然而，现有探索多依赖实验试错，亟需结合理论计算（如量子化学）深入揭示反应分子-催化剂的相互作用机制，以指导高活性、高选择性催化剂的理性设计。
1）研究团队综合考虑了竞争性析氢反应、质子耦合电子转移过程和甘氨酸解吸步骤，提出三步筛选准则，用于设计和验证用于甘氨酸电合成的最佳催化剂。该方案通过整合三个关键因素（表示为 ΔGPDS + ΔG*desorption- ΔG*H），强调金属的 d 带中心是关联催化活性的关键描述符。
2）研究团队引入了 “易活化分子”（RAM）这一全新概念，证明乙醛酸肟的固有特性使其易被具有弱吸附特性的催化剂活化。这一见解筛选出Ag为甘氨酸电合成的最佳催化剂，其双向活化机制可有效激活RAM。
3）研究团队的实验结果验证了Ag催化剂在甘氨酸电合成中的卓越性能。合成的超轻泡沫Ag电极具有极低的起始电位（-0.09 V vs. RHE），并在20小时内成功合成并提纯得到克级规模的甘氨酸粉末，其潜在应用范围还可扩展到丙氨酸和亮氨酸等其他氨基酸的合成。
图1 乙醛酸和羟胺合成甘氨酸过程
通过羟胺和乙醛酸合成甘氨酸的过程分为三步： 分别是i）乙醛酸和羟胺的自发脱水缩合形成乙醛酸肟，这是自发的化学过程(图1b)；ii）乙醛酸肟的四电子氢化过程，需要较高能量，也是该反应的决速步骤(图1c)；以及iii）甘氨酸分子的脱附(图1c)。作者选择了六种常见的过渡金属（TM = Ti、Mo、Fe、Ni、Cu、和 Ag）的(111)面作为模型催化剂，来研究以乙醛酸（CHOCOOH）和羟胺（NH2OH）为原料合成甘氨酸的内在机理。由于CHOCOOH和NH2OH在溶液中会自发缩合形成乙醛酸肟，因此，乙醛酸肟是溶液中的实际初始反应物，这一点也由傅立叶变换红外光谱（FTIR）得到证实。因此，所有关于金属表面的计算均从乙醛酸肟的吸附开始，本文后续的研究将关注乙醛酸肟的氢化机制。
图2 竞争性析氢反应
由于本实验是在酸性条件下进行的，不可避免地会发生析氢（HER）竞争，因此，在研究电化学合成甘氨酸的过程时，必须考虑到竞争HER。基于此，本文考虑了i）催化剂表面更优先吸附 *H 还是乙醛酸肟（图 2a）；ii）*H 更有利于 HER 还是更有利于最初的氢化步骤（图2e）。针对这两个问题，文章对纯金属（111）面的H吸附进行了详细的理论计算（图2b-c）。文章比较了 *H 和乙醛酸肟的吸附能力(图2d)，并评估了 *H 吸附与乙醛酸肟氢化步骤之间的自由能差（ΔG*H – ΔGfirst hydrogenation）（图 2f）。与ΔG*H相比更负的ΔG*COOHCHNOH， 以及正的ΔG*H – ΔGfirst hydrogenation值，均表明 Ag 在乙醛肟的氢化过程中和抑制竞争性 HER 方面的独特性。
图3 电合成甘氨酸质子耦合电子转移和产物脱附过程
接下来，本文研究了六种金属电合成甘氨酸的整个 PCET 以及产物的脱附过程（图3a-d）。基于此，对于一般催化剂，本文提出了一个从 (COOH)CHNOH 和 NH2OH 电合成甘氨酸的三步筛选方案，如图 3e 所示：i) 第一步是将乙醛酸肟的吸附能和第一步加氢自由能与 *H 吸附能进行比较。这种比较旨在确保活性位点的可用性并抑制 HER，要求 ∆G*H > ∆G*(COOH)CHNOH和 ∆G*H > ∆Gfirst hydrogenation。ii) 第二步要求PCET过程具有较低的决速步能垒，以保证容易的 PCET 过程，即 ∆GPDS < 0.5 eV。iii）第三步要求产物甘氨酸分子容易脱附，即∆Gdesorption< 0.5 eV。考虑这三个因素都与中间产物的吸附密切相关，特别是与金属的 d 带中心趋势密切相关；因此，本文联系这三个因素ΔGPDS + ΔGdesorption - ΔG*H，将电合成甘氨酸的理论活性与 d 带中心进行逻辑关联，这两者之间存在很强的线性关系，相关系数R2高达 0.93，表明 d 带中心可以作为预测电合成甘氨酸催化剂性能的关键描述符。
图4 易活化分子活化机理
为了阐明 Ag(111) 在电合成甘氨酸中表现出最佳催化行为背后的潜在机制，本文对 DFT 结果进行了详细分析。一般来说，在氮还原反应等过程中，有效的活化（特别是强吸附）对于促进含氮中间体的后续氢化至关重要。然而，在对电合成甘氨酸过程中的中间产物进行研究时，我们发现在所考虑的催化剂中，中间产物吸附较弱的金属表面具有更高的活性。此外，尽管与其他催化剂相比，中间产物在 Ag 上的吸附相对较弱，但其对所有中间产物的 ΔG 值仍然接近甚至小于 –1.0 eV（图 4a）。这种吸附水平足以完全活化中间体，从而实现快速 PCET过程。这一有趣的现象可归因于乙醛酸肟分子及其衍生中间体本身的固有特性。与 N2等难以活化的分子不同，乙醛酸肟分子的有效活化并不需要很高的能量。这归因于断裂 N-OH 和将 C=N 转化为 C-N 键的键能较低。因此，本工作将这种分子归类为 “易活化分子RAM”。RAM与Ag(111)的轨道杂化和反应机理如图4b-d所示。“RAM ”的独特特性使Ag不仅能够有效地促进 PCET 过程；同时，弱吸附会导致较差的 HER 性能和有利的甘氨酸解吸。这些因素最终使Ag成为电合成甘氨酸的最佳催化剂。
图5 实验与理论验证
为了验证理论预测的准确性，本文使用了六种商用金属箔作为电极，在室温下测试了电化学合成甘氨酸性能。在–10 mA cm-2下，Ag所需要的电压最低 （图5a），且在–0.45 V vs. RHE下，Ag具有最高的电流密度（图5b）。通过定量分析产物，确定了Ag的最优电压为-0.45 V vs. RHE （图5c）。六种金属在-0.45 V vs. RHE下的长时间电解的核磁结果（图5d）进一步说明了Ag具有最高的甘氨酸产率（图5e）。为了更好地评估 DFT 计算与实验结果的吻合程度，本文根据图 3f 从 DFT 角度利用 d 带中心来衡量电合成甘氨酸的催化活性。以 d 带中心为横坐标，以实验测得的甘氨酸分电流密度（|JGly|，-0.45 V vs. RHE）为纵坐标，得到较好的线性关系（图 5f），R2高达 0.90。理论计算与实验结果的高度吻合证实了本文理论预测的准确性。
图6 泡沫银电化学合成甘氨酸性能
为了提高甘氨酸的生产效率，本文通过银镜反应合成了超轻泡沫银催化剂（图6a）。X 射线衍射图谱中出现的清晰锐利的衍射峰表明成功合成了高结晶度和高纯度的泡沫银（图 6b）。合成的泡沫银在甘氨酸的电合成中表现出卓越的性能（图 6c），起始电位低至 –0.09 V vs. RHE，且具有极高的甘氨酸产率（最初 1 小时的生产速率为 1327 μmol h-1）。无论是使用NOx还是 NH2OH 作为氮源，这种泡沫银电极在起始电位和产率方面都优于之前报道过的催化剂（图 6d）。值得注意的是，在 200 mA cm-2下仅电解 2 小时，泡沫银就实现了 99% 的乙醛酸肟转化率，生产出 1.581 mmol 的甘氨酸。在连续电解 10 个周期后，泡沫银电极成功生成了 14.11 mmol甘氨酸产物，平均选择性为 93.1%。在使用阳离子交换树脂进行纯化和随后的冷冻干燥后，该工艺得到了 1.033 克高纯度甘氨酸粉末（图 6f），提取率为 94.6%。
本文通过对竞争 HER、PCET 过程和甘氨酸解吸步骤的全面分析，为乙醛酸肟加氢电合成甘氨酸的最佳催化剂的设计和验证制定了一个简单明了的方案。值得注意的是，本文发现了中间体（即乙醛酸肟）的独特性质，可将其归类为 “RAM”。这一发现将本身具有弱吸附特性的银定位为甘氨酸电合成的 “理想 ”催化剂。实验结果证实，在所考虑的金属中，银是最好的催化剂，这与 DFT 预测一致。制备的泡沫银电极具有极低的起始电位和极高的甘氨酸生产率。在连续 10个电解循环后，实现了克级规模的甘氨酸生产。这项工作的重点是乙醛酸肟的氢化用于甘氨酸的电合成，突出了乙醛酸肟中间体的 “RAM ”特性。它不仅为通过肟介导途径（以 NOx/NH2OH为氮源，α-酮酸为碳源）生产多种氨基酸奠定了理论基础，而且为其他电合成系统高效催化剂的设计提供了新的策略，即考虑中间体的固有特性。
Xiaowen Sun, Egon Campos dos Santos, Mingtao Li, Yujie Shi, Kanglei Pang, Miao Zhang, Jiayin Yuan*, Hong Liu*, Xiaowen Yu*. Hydrogenation of “Readily Activated Molecule” for Glycine Electrosynthesis
https://doi.org/10.1002/anie.202505675
孙小雯：山东大学晶体材料研究院2023级博士研究生。研究方向为电催化体系中催化剂催化性能理论计算与反应描述符的构建。目前以第一作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., J. Phys. Chem. Lett., J. Phys. Chem. C., Chem. Phys. Lett.等国际期刊发表SCI论文5篇。
袁家寅：瑞典斯德哥尔摩大学，教授。于1998至2002年就读于上海交通大学，主修化学。随后，他前往德国深造，于2004年获得硕士学位，并于2009年获得博士学位。之后，他加入德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所，作为研究组长。2017年，他受聘为美国克拉克森大学副教授。2018年，他作为Wallenberg Academy Fellow来到斯德哥尔摩大学，并自2019年起担任全职教授，研究方向涵盖功能聚合物和碳材料的基础研究及应用。自2021年以来，他担任斯德哥尔摩材料中心（Stockholm Material Hub）主任。他曾获得2014年欧洲研究理事会（ERC）Starting Grant及2022年Consolidator Grant。
刘宏：山东大学晶体材料全国重点实验室，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：组织工程与干细胞分化、生物传感与体外诊断、光电材料与纳米能源等。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Lett.，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Environ. Eng. Sci., 等学术期刊上发表SCI文章400余篇，其中，影响因子大于10的超过110篇，个人文章总被引次数超过23000次，H因子为163，40余篇文章被Web of Science的ESI选为高被引用论文，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文、2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018、2019、2020连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。2019年获山东省自然科学奖一等奖。
于小雯：山东大学晶体材料全国重点实验室，教授，博士生导师。山东大学齐鲁青年学者，山东省泰山学者青年专家。2018年在清华大学化学系获博士学位。2018-2021年，在瑞典斯德哥尔摩大学材料与环境化学系做博士后。主要研究方向为催化剂理性设计和绿色（光）电催化合成，以第一/通讯作者身份在Nat. Rev. Mater.，Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.，ACS Energy Lett.，ACS Nano, Appl. Catal. B. 等国际知名期刊上发表文章共25篇，参与撰写Wiley出版的专业英文书籍一章。
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