L-苯丙氨酸(L-Phe)是人类和大多数牲畜蛋白质的组成部分之一，因此主要用作食品成分、药物、营养保健品、化妆品和饲料添加剂。通常，实现L-Phe合成有两种方法：化学合成和生物合成。传统的L-Phe化学合成需要石油基原料和昂贵的过渡金属作为催化剂，导致有毒副产物的积累。此外，虽然包括微生物和酶促过程在内的L-Phe生物合成比化学合成产生的环境污染小，但生物合成途径反应时间长，纯化步骤复杂，产量低，效率低，能耗大。
光电化学(PEC)合成是一项很有前景的技术，它利用太阳辐射在温和条件下将太阳能直接转化为化学物质。在PEC装置中，集成光吸收剂、保护层和助催化剂的光电极可以为PEC合成提供驱动力和反应位点，被视为装置的“大脑和心脏”。自2020年代以来，利用废弃物或廉价的碳/氮源以及太阳能/电能构建C-N键的做法激增，尤其是偶联两种不同的小分子（如CO
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和N
2
/NO
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-
）用于生产尿素。然而，以丰富、廉价的CO
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和有机氮化合物为原料的PEC L-Phe合成却很少研究。实际上，同时控制光电阴极中的载流子传输行为和目标CN偶联反应的表面活性位点/关键中间体关系，为高效、选择性的PEC L-Phe合成增加了另一层难度。因此，设计特殊的光电阴极和了解反应路线对于探索L-Phe生产的PEC体系是迫切需要的。
湖南大学郑建云教授、佛山仙湖实验室蒋三平、澳洲同步辐射中心Bernt Johannessen、香港城市大学Xin Wang
等研究人员报告一种用于合成L-Phe的PEC方法，在1个太阳照射下，通过在低施加电位下共还原CO
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和硝基苯乙烷。CuO和TiO
2
纳米粒子(NPs)与XR-27碳片混合用作非晶态TiO
2
层/n
+
p-Si光电阴极（标记为CTC/TiO
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/Si）表面的助催化剂，合成L-Phe，产率为37.5 μg·hour
-1
·cm
-2
，FE为21.2%，证实了光电阴极设计和PEC系统的可行性。通过各种原位/非原位表征和PEC测量揭示了集中在CuO和TiO
2
NPs上的光诱导电子驱动偶联反应。CuO-TiO
2
-C混合物分散在非晶态TiO
2
层/n
+
p-Si中的分级结构产生了内部内建电场并形成了丰富的导电通道，从而有效地实现电子向Cu和Ti位点的注入。这些Cu和Ti位点分别吸附和激活CO
2
和硝基苯乙烷，共同促进L-Phe的合成。
相关研究成果以“
Using waste CO2 to produce essential amino acids for humans: An efficient photoelectrochemical route
”
为题
发表在
Sci. Adv.
上。
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高效的光催化反应系统：
设计了一种基于Si的分层光阴极，用于通过废弃二氧化碳和硝基苯乙烷的光电化学偶联反应合成L-苯丙氨酸（L-Phe），实现了在低施加电位和1个太阳光照下，高达37.5 μg·hour
-1
·cm
-2
的产率和21.2%的法拉第效率。
特殊的催化剂设计与应用：
采用CuO-TiO
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-C混合物作为催化剂，分散在非晶态TiO
2
层/n
+
p-Si上。这种催化剂设计不仅提供了丰富的活性位点，还通过Cu和Ti位点的协同作用，促进了CO
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和硝基苯乙烷的吸附与活化，从而高效地实现了L-Phe的合成。
长期稳定的光催化性能：
研究发现，分层Si基光阴极在长时间运行下仍能保持稳定的L-Phe产率和较高的法拉第效率，表明该系统具有良好的稳定性和可重复性。
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图1.用于PEC L-Phe合成的分级Si基光电阴极的制备和表征
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图2.CTC/TiO
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/Si在1个太阳辐射下合成L-Phe的PEC性能
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图3.CTC/TiO
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/Si的表面电位和内部电场分析
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图4.解释CTC/TiO
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/Si上PEC L-Phe合成的表面催化反应
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图5.TiO
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(101)上L-Phe合成的DFT计算研究
这项研究报道了一种分级硅基光电阴极，通过耦合CO
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和硝基苯乙烷实现高效的PEC L-Phe合成。这中方法直接解决了当前生物合成L-苯丙氨酸方法的局限性，后者由于复杂的调控机制而导致实际产量较低。创新设计的分级硅基光电阴极，通过有效的电子注入和反应物活化实现了高产率和法拉第效率，突显了光电化学技术在将废弃物转化为高价值化学品方面的潜力。该工作不仅为CO
2
与含氮有机分子共还原合成有价值的氨基酸开辟了一条绿色途径，而且拓宽了PEC技术在发展太阳能-化学转化中的应用范围。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8651
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