成果簡介
丙氨酸（Alanine）廣泛用于合成聚合物、藥物和農(nóng)用化學品。在環(huán)境條件下，生物質分子與廢硝酸鹽的電催化偶聯(lián)對硝酸鹽脫除和丙氨酸生產(chǎn)具有重要意義。然而，由于穩(wěn)定底物的活化和反應效率較低，兩種反應中間體的偶聯(lián)仍然具有挑戰(zhàn)性。
基于此，湖南大學王雙印教授和鄒雨芹教授（共同通訊作者）等人報道了在PdCu納米珠線（PdCu NBWs）催化下，實現(xiàn)了生物質丙酮酸（PA）和廢硝酸鹽（NO3–）的電化學-化學-電化學一體化串聯(lián)合成丙氨酸。
基于原位同步加速器的X射線吸收光譜（XAS）和原位拉曼光譜，揭示了電還原耦合過程中電催化劑的活性物質和結構演變。測試結果表明，通過Cu和NO3–之間的自發(fā)氧化還原反應，可以很容易地實現(xiàn)NO3–到NO2–的速率決定步驟。
原位衰減全反射表面增強紅外吸收光譜（ATR-SEIRAS）表明，PA與NO3–的耦合是一個串聯(lián)的電化學-化學-電化學催化級聯(lián)過程：NO3–被電還原為*NH2OH中間體，*NH2OH中間體與PA相互作用生成丙酮肟，丙酮肟再被電還原為丙氨酸。其中，*NH2OH中間體與PA的偶聯(lián)，抑制了*NH2OH中間體還原為NH3。
此外，同位素標記實驗證明，所得丙氨酸中的N資源為NO3–。對串聯(lián)電化學-化學-電化學過程的基本理解，將指導其他C-N偶聯(lián)過程高效電催化劑的設計。
目前，氨基酸的大規(guī)模生產(chǎn)是基于生物發(fā)酵，需要較長的反應時間和復雜的分離步驟。同時，D-氨基酸比L-氨基酸有更高的價值，而L-氨基酸必須用劇毒有害的氰化物進行化學合成。因此，開發(fā)一種綠色、可持續(xù)的氨基酸合成方法對該領域具有重要意義。過度施肥和工業(yè)排放造成了大量的硝酸鹽（NO3–）廢物，將其轉化為高價值氨基酸具有“變廢為寶”的重要意義。
生物質是一種豐富的可再生碳源，可以替代傳統(tǒng)的化石燃料生產(chǎn)精細化工產(chǎn)品。在環(huán)境條件下，C-N鍵的電化學偶聯(lián)是可持續(xù)生產(chǎn)含氮有價化學品的一種有吸引力的策略。
最近，有科學家提出了一種創(chuàng)新方法，即將氮氧化物和酮酸通過電合成轉化為氨基酸，并證明了NH2OH是C-N偶聯(lián)反應的關鍵中間體。然而，C-N偶聯(lián)的反應效率相對較低，因為這些底物具有化學穩(wěn)定性，并且兩種反應中間體的偶聯(lián)仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，合理設計先進的電催化劑是活化穩(wěn)定分子和偶聯(lián)反應中間體形成C-N鍵的有效策略。
PA和NO3–生成丙氨酸共分為三步：（1）將NO3–還原為NO2–和NO–；（2）加氫轉化為NH2OH，接著得到的NH2OH與PA自發(fā)縮合反應生成丙酮肟；（3）丙酮肟被還原成所需的產(chǎn)物丙氨酸。其中，NH2OH是重要的中間體，而PA的加氫產(chǎn)物乳酸（LA）是主要的副產(chǎn)物。
在此過程中，NH2OH的積累可與PA偶聯(lián)，抑制PA還原為LA，同時NO3–還原為NO2–是硝酸鹽還原速率的決定步驟。Pd1Cu1 NBWs的衍射峰呈面心立方（fcc）結構，其中Cu 2p3/2的結合能比純Cu的結合能高0.6 eV，而Pd 3d5/2的結合能比純Pd低0.4 eV。此外，Pd1Cu1 NBWs由豐富的納米顆粒（5-7 nm）沿不同方向組成。大量0.22 nm的晶格間距說明了PdCu合金上的主要(111)面。
圖1.環(huán)境條件下PA和廢硝酸鹽耦合示意圖
Cu納米顆粒上丙酮肟的產(chǎn)率為64.8%，遠高于丙氨酸和LA，表明Cu具有良好的還原NO3–的性能，但加氫活性較差。對比Cu，Pd納米顆粒表現(xiàn)出更高的HER和PARR電流密度，表明Pd具有良好的加氫能力，導致LA為主要產(chǎn)物。
Pd與Cu的最佳配比為1:1，丙氨酸產(chǎn)率最高可達54.8%，同時制備了物理混合的Cu和Pd電極。物理混合Cu和Pd的丙氨酸和電流密度分別為46.7%和4.6 mA cm-2@-0.3 VRHE，低于Pd1Cu1 NBWs，說明Cu和Pd之間存在協(xié)同作用。在沒有PA和KNO3的情況下，在Pd1Cu1 NBWs電極上檢測到-0.37 VRHE的HER電位達到10 mA cm-2的電流密度。
在電解質中加入NO3–后，達到相同電流密度的電位降低了150 mV，表明NO3RR比HER更容易發(fā)生熱力學反應。當PA加入到含NO3–的電解質中時，在-0.45 VRHE下，電流密度從47.5 mA cm-2下降到29.7 mA cm-2。
當施加電位為-0.1 VRHE時，PA轉化率為76.3%，丙氨酸為25.4%，LA收率為47.3%。當施加電位增加到-0.3 VRHE時，丙氨酸產(chǎn)量達到54.8%，LA下降到35.2%。
在原位ATR-SEIRAS中，作者研究了電化學偶聯(lián)反應的反應途徑，在-0.3 VRHE下采集紅外光譜。當電解時間延長至20 min時，觀察到-NO（1530 cm-1）和NH2OH（1472和1560 cm-1）條帶，表明NO3–還原為NH2OH中間體。隨著電解的進一步增加，在1635和1668 cm-1處分別觀察到-C=N和-COOH鍵的拉伸帶，表明NH2OH和PA與丙酮肟中間體和期望產(chǎn)物丙氨酸的偶聯(lián)。
基于電催化產(chǎn)物和原位ATR-SEIRAS，作者提出了C-N偶聯(lián)反應的總體途徑，即10個電子和11個質子形成每個丙氨酸分子，是一個多步級聯(lián)電化學-化學-電化學過程。
其中，吸附后的NO3–與Cu發(fā)生自發(fā)氧化還原反應，生成Cu2+和NO2–，然后將NO2–氫化為NH2OH，這是一個6個電子、7個質子的轉移過程（步驟1），同時將Cu2+還原為Cu+，進行新的加氫循環(huán)。
隨后，得到的NH2OH與PA發(fā)生自發(fā)縮合反應生成丙酮肟中間體，抑制了NH3的生成（步驟2）。最后，丙酮肟通過Pd位點的4個電子和4個質子轉移過程電化學還原為所需的丙氨酸產(chǎn)物（步驟3）。
Integrated Tandem Electrochemical-chemical-electrochemical Coupling of Biomass and Nitrate to Sustainable Alanine. Angew. Chem. Int. Ed, 2023, DOI: 10.1002/anie.202311196.
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