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电催化α-酮酸和氮氧化物(如NO
3
-
、NO
2
-
和NO)通过C-N偶联合成α-氨基酸由于其反应条件温和、反应参数可控和原子经济性，已成为一种有前途的策略。但是，尽管电催化合成α-氨基酸的研究取得了很大进展，但α-氨基酸的选择性和收率仍然不尽人意。
电催化合成α-氨基酸过程涉及到两个关键步骤：羟胺(NH
2
OH)的生成和肟的快速转化。
然而，电催化NO
3
-
还原反应(NO
3
-
RR)复杂的路径限制了NH
2
OH的生产。
同时，中间体肟在酸性电解质中进行水解，产生α-酮酸和NH
2
OH并降低氨基酸产率。
因此，解决上述问题的关键就是开发有效的电催化剂来获得高的NH
2
OH产率和快速的肟电还原。
近日，
湖南大学邹雨芹
课题组采用有氧缺陷的TiO
2
负载原子分散Fe电催化剂(
ad
Fe-TiO
x
/Ti)，实现了α-氨基酸的高效电催化合成。实验结果表明，在含乙醛酸(GA)和NaNO
3
的电解质中和-0.7 V
RHE
条件下，引入
ad
Fe位点和氧空位(O
V
)显著提高了电催化偶联活性，
ad
Fe-TiO
x
/Ti (214.8 mA cm
-2
)的电流密度是TiO
2
/Ti (42.6 mA cm
-2
)的5.0倍。
同时，
ad
Fe-
TiO
x
/Ti上GA转化率为100%，甘氨酸生产速率和选择性分别为236.1 μmol h
-1
和80.2%。
此外，该催化剂经过连续10个循环反应后，甘氨酸产率仅下降4.6%，稳定性测量后催化剂的表面的化学成份和化学状态基本没变，显示出优异的稳定性。
电化学实验和理论计算表明，原子分散的Fe (
ad
Fe)中心和氧空位(O
V
)增强了乙醛酸(GA)、乙醛肟(GO)和硝酸盐(NO
3
-
)的吸附；同时，
ad
Fe位点进一步促进了NO
3
-
转化为羟胺(NH
2
OH)过程中H
2
NO*→H
2
NOH*的步骤，以及GO还原为甘氨酸过程中NH-CH
2
-COOH*→NH
2
-CH
2
-COOH*的步骤。
基于原位SR-FTIR光谱和DEMS分析，推断出电催化甘氨酸合成途径：首先在催化剂表面发生NO
3
-
电化学还原生成NH
2
OH，然后电极表面吸附的GA与NH
2
OH迅速结合生成GO，再经电化学加氢生成甘氨酸。另外，研究人员利用
ad
Fe-TiO
x
/Ti成功地合成了另外六种α-氨基酸，展示了其在电合成α-氨基酸中的通用性。
Highly efficient synthesis of α-amino acids via electrocatalytic C-N coupling reaction over an atomically dispersed iron loaded defective TiO
2
. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202409864
邹雨芹
，湖南大学教授。围绕有机分子电催化转化研究，以第一/通讯作者(含共同)发表SCI论文多篇，包括Nature Catal.、JACS、Angew.、AM、Chem和Nature Commun.等ESI高被引论文。主持国家自然科学基金优秀青年、国家重点研发计划课题、湖南省重点研发“揭榜挂帅”课题等项目。获评科睿唯安全球高被引科学家、湖南省自然科学二等奖(1/4)、湖南省自然科学一等奖(3/6)、湖南省化学化工学会青年化学化工奖等。兼任《Chinese Journal of Catalysis》、《Chinese Chemical Letters》、《Chinese Journal of Structural Chemistry》、《Smart Molecules》青年编委等学术职务。
