【催化】中山大学李光琴教授课题组Angew：一锅法电催化还原NOx高效合成氨基酸- 大数跨境

【催化】中山大学李光琴教授课题组Angew：一锅法电催化还原NOx高效合成氨基酸

X-MOL资讯

2024-10-21

导读：中山大学李光琴教授课题组通过异金属掺杂策略，在泡沫铜上原位生长MOF阵列并衍生构筑新型的双金属催化剂，从而优化电解产生的活性氢利用路径，高效电催化硝酸根及NOx耦合乙醛酸合成甘氨酸

甘氨酸，也称为氨基乙酸，是蛋白质基本构建模块，广泛应用在食品、医药、农业、工业等领域。近年来，受制药和食品行业蓬勃发展的推动，甘氨酸的产量需求持续增加。传统的甘氨酸工业合成主要涉及氯乙酸氨解和Streker反应两种方法，氯乙酸氨解方法主要用于生产工业甘氨酸（图1），反应的副产品难以与产品分离，此外，该法还存在原材料和溶剂利用率低、反应时间长以及催化剂难以回收等问题；Streker法脱盐过程技术路线冗长且操作复杂，同时高毒性的氰化物也给安全管理带来隐患。因此，迫切需要开发安全、绿色、简单的合成甘氨酸的方法。

图1. 传统的甘氨酸合成方法与NO_x电催化转化合成对比示意图

中山大学李光琴教授课题组长期耕耘于NO_x电催化转化配位催化剂的设计与应用开发，此前发展了配位“锁效应”限域、多中心配位协同等多种调控活性中心电子结构策略，有效解决了NO_x电催化转化反应路径复杂问题，实现了利用电催化合成系统NO_x耦联有机碳源、高效利用活性氢，精准合成了多种天然与非天然氨基酸、吡啶醛肟类等含氮有机化合物（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304007; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202311752; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312239; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202306726; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 63, e202405553）。近日，该团队再次取得突破，通过异金属掺杂策略，在泡沫铜上原位生长MOF阵列并衍生构筑新型的双金属催化剂，从而优化电解产生的活性氢利用路径，高效电催化硝酸根及NO_x耦合乙醛酸合成甘氨酸，实现了优异的法拉第效率同时兼顾高选择性，具有良好的工业应用前景。

图2. Cu/Bi-C@CF电催化NO₃^-转化合成甘氨酸的核磁图，与对照样电催化性能及循环稳定性对比

如图2所示，作者以NO₃^-为氮源、乙醛酸为碳源，室温常压下在H型电解池中，以Cu/Bi-C@CF作为催化剂电催化合成了甘氨酸。在最优条件下，对甘氨酸的选择性达到89%，法拉第效率为65.9%。此外，该催化剂在35圈共105小时的电化学循环催化测试中，性能衰减变化很小，证明所设计的催化剂具有长效、良好的电催化还原制取氨基酸性能。此外，该方法还对多种碳源反应物具有良好的普适性，可适用于其他氮源（包括NO、NO₂和NO₂^-等），可用于高效合成一系列α-氨基酸（图3）。

图3. 以Cu/Bi-C@CF为催化剂电转化NO_x合成甘氨酸的普适性探究

小结

在该项工作中，李光琴教授课题组聚焦于将NO_x增值转化，借助配位化学组装，构筑了双金属协同催化阵列，通过绿色可持续的电化学方法，一锅法串联实现了甘氨酸及其它氨基酸的高效合成。这项工作不仅提出了一种新的材料设计策略，还为开发新型电催化转化技术，将氮氧化物、含氮无机盐转化为高附加值的氨基酸产品提供了重要参考价值，对促进能源和环境可持续性发展具有重要意义。该研究成果近期发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，文章的第一作者是中山大学廖培森博士后和曾彬宁硕士研究生，通讯作者为中山大学李光琴教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Cu–Bi Bimetallic Catalysts Derived from Metal–Organic Framework Arrays on Copper Foam for Efficient Glycine Electrosynthesis

Peisen Liao, Binning Zeng, Suisheng Li, Yuhao Zhang, Runan Xiang, Jiawei Kang, Qinghua Liu, Guangqin Li*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202417130

李光琴教授简介

李光琴，教授，博士生导师，国家引进高层次青年人才、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队带头人，曾任日本京都大学特聘研究员、JSPS研究员，2016年3月加入中山大学化学学院。曾获日本学术振兴会JSPS育志奖、中山大学芙兰奖教金、优秀研究生导师奖、物理化学学科奖等。长期从事多孔配位材料及其催化性能研究，尤其是氮氧化物（NO_x）电催化转化合成氨基酸、肟等含氮有机小分子方面的研究。在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等高水平国际期刊发表SCI论文50多篇。担任Energy & Environmental Materials（EEM）期刊副主编、Inorganic Chemistry Frontiers（ICF）和Chinese Chemical Letters（CCL）期刊青年编委；任中国留日同学会理事、广东省欧美同学会理事、广东省科协第九次代表大会代表、中国可再生能源协会青年委员、中国颗粒学会功能材料与界面科学专业委员等。

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