化石燃料燃烧、农业过度施肥和工业废气废水等人为排放的氮氧化物（NOx，包括NO、NO2、NO3−和NO2−等）是影响人类健康的主要污染物之一。而NOx通过电化学还原反应，与地球上丰富的碳源通过C-N偶联反应增值，生成氨基酸、胺、酰胺、肟和尿素等含氮有机小分子，不仅可缓解NOx污染问题，同时可将NOx增值转化成各种高附加值化学品。

中山大学李光琴教授团队长期致力于高效稳定配位催化材料的设计开发及NOx增值转化研究，发展了配位限域等策略，实现了NOx电催化转化为氨基酸等多种有机氮的精准合成（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202304007；Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202306726；J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 8, 4659-4666；Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202311752；Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202312239）。然而，电催化合成高附加值含氮有机分子的研究还处于起步阶段，NOx电催化转化合成氨基酸这一过程中涉及多种竞争反应，并伴随多电子转移，极大地限制了目标产物氨基酸的高效合成。为了提高目标产物的合成效率，亟需设计开发高活性、高效的电催化剂。

近日，中山大学李光琴教授团队在期刊《Science China Chemistry》上，发表了最新研究成果“Upgrading waste NOx into amino acids via electrocatalysis on Co nanoparticles encapsulated in hollow carbon nanofibers”。研究者通过同轴静电纺丝和热解处理，制备出中空氮掺杂碳纳米纤维限域的高分散Co纳米颗粒(Co-HCNF)催化剂，其具有独特的中空纳米管结构、高比表面积和高分散的活性位点，可提供理想的三相界面，以确保反应物、电解质和催化剂之间的有效接触，从而促进了电催化反应的快速传质和电子传输，实现了由NOx和α-酮酸为原料一锅法电催化合成氨基酸。

图1：Co-HCNF的合成示意图和形貌表征。

实验结果表明，以NO为氮源一锅法电合成甘氨酸的选择性高达72.2%，法拉第效率（FE）达到41.7%，产率达到222.3 μmol h⁻¹，且在120小时内具有优异的电化学稳定性和活性；在NO₃⁻为氮源的条件下，一锅法电合成甘氨酸的选择性高达52.6%，FE达到42.8%，产率达到159.5 μmol h⁻¹，且具有60小时电化学耐久性。同时，通过一系列对照实验，阐明了电合成氨基酸的必需活性物种是羟胺（NH₂OH）和肟，具体的反应路径为NOx→NH₂OH→肟→氨基酸，并伴有NOx电催化还原偶联加氢反应，由水裂解产生的活性氢H*参与了整个反应过程。此外，该方法也具有广泛的普适性，通过对多种NOx成份和生物质衍生α-酮酸的增值转化，可电合成各种天然和非天然氨基酸。该工作为设计和合成高效的电催化剂及多功能电催化体系提供了新的启示，并进一步促进C−N电催化偶联体系合成高附加值含氮化学品的发展。

图2：Co-HCNF电催化NOx增值合成甘氨酸的电化学性质。

图3：（a）Co-HCNF在NO饱和条件下电化学稳定性测试；（b）不同氮源和碳源的对照实验以阐明甘氨酸合成途径；（c）具有独特中空结构的Co-HCNF电合成氨基酸的反应示意图。

图4：NOx电催化增值合成氨基酸具有普适性。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s11426-024-2039-0

人物简介：

李光琴教授，博士生导师，国家海外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（NOx）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）、Chinese Chemical Letters（CCL）等期刊青年编委；任中国留日同学会理事、广东省科协第九次代表大会代表、广东省欧美同学会理事、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。