化学所JACS: OA和NO3−/NOx在Fe-N-C上共还原，显著促进甘氨酸电合成

甘氨酸是一种非必需氨基酸，可作为生物体和医药原料的营养补充剂。从丰富的无机氮源和碳基小分子直接电化学C-N偶联构成了甘氨酸合成的可持续途径。氨基酸的电合成涉及羟胺(NH₂OH)与亲电碳中心的缩合，形成一个关键的肟前体。可再生氮源如硝酸盐(NO₃⁻)和氮氧化物(NO_x)是在较宽的pH范围内攻击亲电碳中心进行NH₂OH电合成所需的亲核试剂。氨基酸电合成中最常用的含碳原料是生物质衍生酸如丙酮酸和乙醛酸，这需要额外的能源投入，导致高资本支出。

草酸(OA)是一种有效的电化学反应试剂，可以从CO₂或生物质转化中获得，OA可以被选择性电还原为乙醛酸，并进一步与NH₂OH反应生成甘氨酸。然而，这个C-N偶联过程涉及多个电子和质子转移步骤，这增加了副反应的可能性，从而降低了对甘氨酸的选择性。

有研究表明，原子分散的氧化铁位点可以活化含氮分子，表现出高的电化学还原NO₃⁻/NO_x的潜力。基于此，中国科学院化学研究所韩布兴和康欣晨等在原子分散的Fe-N-C催化剂上通过OA和NO₃⁻/NO_x的共还原实现了甘氨酸的高效电合成。

实验结果表明，对于OA和NO₃⁻的电化学偶联，最优的Fe-N-C-700催化剂在−0.9 V_RHE下的甘氨酸法拉第效率和部分电流密度分别为64.2%和106.4 mA cm⁻²；此外，使用等离子体活化的N₂作为氮源，甘氨酸的选择性为70.7%，在−1.0 V_RHE下电解15小时后甘氨酸的浓度为0.084 M。

原位光谱表征和理论计算表明，OA和NO₃⁻的C-N偶联生成甘氨酸的整个过程可以分为三步串联反应：首先，反应过程中ORR和NO₃⁻RR同时发生，生成乙醛酸和NH₂OH；随后，自发反应生成乙醛肟；最后，通过乙醛肟的进一步还原形成甘氨酸。Fe-N-C-700的吡咯氮位点和FeN₃C结构之间的协同作用不仅加速了乙醛酸的产生，而且抑制了乙醛酸的还原，为后续与吸附或解离的NH₂OH缩合形成乙醛肟提供了足够的亲电碳中心。总的来说，该项研究成功实现了简单碳源和氮源选择性生产甘氨酸，为通过C-N偶联可持续生产化学品的电化学途径设计提供了新的策略。

Highly efficient electrosynthesis of glycine over an atomically dispersed iron catalyst. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c01093

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化学所JACS: OA和NO3−/NOx在Fe-N-C上共还原，显著促进甘氨酸电合成

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