综述：氨基酸的电合成：创新、挑战与未来前景

《eScience》：Electrosynthesis of amino acids: Innovations, challenges, and future prospects

　　董平叶|赵润东|李文波|林浩|聂一哲|刘乐|奚静宇
清华大学深圳国际研究生院，中国深圳518055

**摘要**
氨基酸是生命系统的基本构建块，也是制药、食品、饲料和精细化工行业不可或缺的化学品。传统的氨基酸合成主要依赖于发酵或多步骤化学路线，这些方法通常伴随着高能耗、复杂的工艺流程和巨大的环境负担。近年来，由可再生能源驱动的电化学合成作为一种绿色氨基酸生产策略应运而生。然而，关于电催化氨基酸合成的系统性和综合性综述仍然有限，特别是那些整合了反应路径、催化剂设计、机理理解以及系统和工程层面优化的综述。在这篇综述中，我们系统地总结和评估了电催化C–N偶联在氨基酸合成方面的最新进展。我们提出了一种通用的三步反应范式，分类了三种代表性的电合成路径及其背后的机理，并讨论了催化剂修饰策略在提升反应性能中的不同作用。此外，还阐明了原位/准原位表征技术和理论计算在机理研究中的互补功能。通过结合反应器工程、产物分析方法以及技术经济性和生命周期评估，本文提供了一个从基础研究到潜在应用的综合性视角，并概述了电催化氨基酸合成中剩余的挑战和未来发展方向。

**1. 引言**
氨基酸处于化学、生物学和生命起源研究的交叉点，在自然科学中占据着独特而基础的地位。自然界中有20种常见的蛋白质生成氨基酸，它们都属于α-氨基酸类，其特征是羧酸分子的α-碳上的氢原子被氨基取代。根据侧链（R基团）的化学结构和极性，这20种α-氨基酸通常被分为五类：非极性脂肪族、极性中性、芳香族、极性酸性和极性碱性氨基酸（图1）。其中九种氨基酸——赖氨酸（Lys）、色氨酸（Trp）、苯丙氨酸（Phe）、甲硫氨酸（Met）、苏氨酸（Thr）、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、缬氨酸（Val）和组氨酸（His）是必需氨基酸，无法通过内源性合成，因此必须通过饮食摄入。在生物系统中，氨基酸作为蛋白质的基本结构和功能单元，参与几乎所有的生命过程，包括酶催化、信号转导和细胞结构的维持。氨基酸在制药、食品系统、饲料和农业领域也具有重要的工业价值。在制药领域，氨基酸及其衍生物被广泛用作手性构建块以及肽类、抗生素和抗病毒剂的合成关键中间体。在食品中，它们被广泛用于营养强化和风味调节。在饲料和宠物食品应用中，氨基酸补充可以提高营养利用效率并支持动物健康。在农业中，氨基酸越来越多地被探索作为生物刺激剂来调节植物生长并增强抗逆性。随着应用场景的不断扩展和需求的快速增长，氨基酸的供应能力、生产成本和可持续性已成为限制其大规模工业应用的关键因素。因此，迫切需要开发高效、可扩展且环境友好的氨基酸合成和生产策略，以满足各行业对高质量氨基酸日益增长的需求。

**2. 传统氨基酸合成方法**
几十年来，氨基酸的大规模生产主要依赖于传统方法，如蛋白质水解、化学合成和微生物发酵（图2）。蛋白质水解（图2a）通过酸性或酶促裂解天然蛋白质可以获得高光学纯度的氨基酸；然而，这种方法通常需要高温高压或复杂的反应条件，导致工艺流程复杂和生产成本高。化学合成路线（图2b），以斯特雷克合成为例，在工业层面相对成熟，提供了相当大的结构可调性和反应选择性。然而，这些方法依赖于氰化氢等高毒性试剂，且常常伴随着苛刻的反应条件和巨大的环境负担，严重限制了其可持续性。微生物发酵（图2c）由于其相对较低的成本、高转化效率和优异的产品纯度，已成为氨基酸生产的主要工业路线。尽管如此，这种方法仍存在固有的局限性，包括反应周期长、分离和纯化过程复杂以及对非天然氨基酸的适应性有限。在绿色化学和可持续制造需求不断增长的背景下，电催化合成作为一种有吸引力的替代策略应运而生。与传统方法不同，电催化路线利用电能作为唯一的还原驱动力，在温和条件下实现碳源（如二氧化碳（CO2）、草酸（OA）和α-酮酸）与含氮物种（包括硝酸盐（-NO3）、亚硝酸盐（-NO2）、一氧化氮（NO）、羟胺（NH2OH）或氨（NH3）之间的C–N偶联反应（图2d）。这种策略在兼容可再生能源、减少对有毒化学试剂的依赖以及通过电化学参数精确调控反应路径方面具有显著优势。尽管电催化氨基酸合成仍处于早期发展阶段，但它为实现环境友好、节能和高产的氨基酸生产提供了巨大潜力，从而提供了一种与传统热化学和生物路线截然不同的新合成范式。

**3. 电催化氨基酸合成的最新进展**
早在1978年，Jeffery等人[33]就在电化学条件下成功合成了多种氨基酸，包括甘氨酸，证明了电驱动C–N键形成的基本可行性。直到2019年，Fukushima等人[34]使用NH2OH和各种α-酮酸作为反应物高效生产了一系列α-氨基酸，达到了相对较高的法拉第效率（FEs），这一突破性进展明确了电催化氨基酸合成的反应路径。在此基础上，Kim等人[35]在2021年报道了利用来自CO2转化的环境友好型草酸作为碳源，通过电催化合成甘氨酸，进一步增强了整个系统的可持续性。2023年，Fang等人[36]成功实现了手性丝氨酸的电催化合成，使得更复杂的氨基酸的制备成为可能。大约在同一时间，Wu等人[37]报道了一种生物酶-电催化级联系统，将生物催化与电化学过程相结合，实现了甘氨酸的高效合成，突显了混合催化策略的潜力。随后，在2024年，Kong等人[38]使用天然原料（包括大气中的N2、CO2和H2O）通过多步骤电催化合成策略实现了甘氨酸粉末的克级生产。到2025年，Ma等人[39]进一步将废弃聚乳酸（PLA）纳入电催化平台，成功合成了丙氨酸，展示了这种方法在循环经济和可持续化学中的潜力。这些代表性研究清楚地描绘了电催化氨基酸合成从早期概念验证到日益复杂、可持续和多样化反应系统的演变轨迹。

**4. 当前研究现状与挑战**
在当前电催化氨基酸合成研究领域（图3b）中，甘氨酸和丙氨酸占报告产物的最大比例。这种优势主要源于它们相对简单的分子结构，使其成为探究电化学C–N偶联反应机理的理想模型系统。同时，越来越多的研究开始关注结构更复杂的氨基酸，表明电催化策略正逐渐从简单分子扩展到更复杂的α-氨基酸的合成。2021年之前，整个领域仍处于探索阶段。然而，自2021年以来，出版物数量显著增加，这与代表性研究的出现以及多种碳和氮源在氨基酸合成中的成功应用密切相关。2023年后，增长趋势更加明显；出版物数量和研究多样性的同步增加表明该领域正在快速发展，从一个小众的探索性课题演变为一个充满活力的新兴研究领域（图3c）。尽管近年来电催化氨基酸合成领域取得了显著进展，但整个研究方向仍处于早期发展阶段，面临许多关键的科学和技术挑战。反应系统通常涉及多个质子-电子转移步骤，其中氮源还原、碳源活化、C–N键形成和随后的氢化过程往往同时进行，使得反应路径的精确控制特别具有挑战性。从机理上讲，电催化氨基酸合成的核心瓶颈在于C–N键的高度选择性形成。因此，关键中间体NH2OH的生成效率及其在电极界面和电解质中的稳定性和可控性是决定整体反应效率和产物选择性的关键因素。此外，目标氨基酸的选择性形成必须克服竞争反应的干扰，包括氢演化反应（HER）、氮物种过度还原为氨以及碳源的并行氢化或C–C偶联。从工程角度来看，还需要在系统效率、催化剂耐用性和可扩展性方面进一步改进。目前，大多数研究仍在进行H型电化学电池中，可实现的电流密度和长期运行稳定性尚不足以满足实际应用需求。尽管研究数量迅速增长，但专门针对电催化氨基酸合成的系统综述仍然相对较少。一个涵盖反应路径、催化剂设计、机理理解以及系统和工程层面优化的全面统一概述仍然缺乏，这在一定程度上阻碍了这一新兴领域的连贯发展和成熟。

**5. 结论**
本文系统总结了电催化氨基酸合成领域的最新进展。我们重点关注了甘氨酸、丙氨酸及其他多种氨基酸的合成策略，特别强调了C–N偶联机理和关键反应中间体的作用。在此基础上，讨论了各种催化剂设计策略（包括单原子催化剂、双金属催化剂、金属氧化物和金属-有机框架），以及它们调节催化活性和产物选择性的机理。此外，还系统回顾了原位/操作过程中的表征技术和理论计算在机理研究中的应用，以及反应器配置、系统优化、产物分析方法和技术经济评估方面的最新进展。最后，概述了电催化氨基酸合成面临的主要挑战和未来发展方向，旨在为这一新兴领域的可持续发展提供指导。除了解决当前缺乏全面综述的问题外，本文还旨在建立一个清晰的概念框架，以促进创新研究策略的进一步探索，包括但不限于高效催化剂的开发、先进电催化系统的构建，以及扩展具有潜在实际应用的氨基酸及其衍生物的电合成路线。电催化C–N偶联生成氨基酸的反应途径
电催化合成氨基酸通常涉及多步骤的质子耦合电子转移（PCET）事件，随后是氢化步骤。整个反应可以概括为三个相互连接的连续步骤。第一步包括反应物的还原和活化。这一步通常包括多个PCET事件，例如电催化还原氮源前体（如NO或N2）以生成活性氮中间体（如*NH2OH或*NH2）。同时，碳源前体（如草酸（OA）和聚乳酸（PLA）通过电化学转化成相应的α-酮酸中间体。第二步涉及*NH2OH/*NH2中间体与α-酮酸的化学偶联，这基本上是一个非电化学缩合反应，通过构建C–N键形成肟或亚胺中间体。第三步是在电化学条件下进一步还原和氢化这些肟/亚胺，最终生成目标氨基酸产物。现有研究展示了广泛的产品范围，从结构简单的氨基酸（如甘氨酸和丙氨酸）到具有多种侧链取代基的更复杂的同系物。同时，反应原料系统表现出显著的变化：氮源可以包括NO、N2以及NH2OH和NH3，而碳源主要选择与目标分子结构密切相关的α-酮酸及其衍生物（如OA和PLA）。这些变化强调了需要对反应途径进行系统分类，以更好地阐明机理原理并指导催化系统的合理设计。

根据迄今为止报道的研究，电催化合成氨基酸的反应途径大致可以分为三类。第一类使用传统的α-酮酸作为碳源；通过它们与NH2OH中间体的偶联，然后进行电化学还原，可以实现多种氨基酸的选择性合成。由于α-酮酸的侧链结构具有高度可调性，这种方法在产品多样性方面具有明显优势；然而，这类碳源的成本相对较高且供应有限，可能限制其大规模应用潜力。第二类使用草酸作为碳源，草酸可以通过CO2还原或农业废弃物的降解获得，通过草酸与各种氮源的还原偶联实现甘氨酸的合成。作为甘氨酸对应的α-酮酸（即羟基乙酸（GA）的简单衍生物，OA结合了结构简单性和适度的反应性，因此在成本和可持续性方面具有显著优势[49]。第三类使用来自生物质或废弃聚合物材料的再生PLA作为碳源。首先将其电催化转化为对应于丙氨酸的α-酮酸（即丙酮酸（PA），然后与氮源进行C–N偶联，随后进行质子化和氢化，最终生成目标产物丙氨酸。以下部分将系统地讨论这三种反应途径，包括反应顺序、关键中间体、代表性研究和催化系统。

2.1 α-酮酸和氮源电催化C–N偶联生成各种α-氨基酸的反应途径
α-酮酸和氨基酸具有高度同源的分子骨架，可以视为通过功能基团交换相互转化的一对化合物。从α-酮酸到氨基酸的转化本质上可以描述为在α-酮酸的羰基碳位点发生的还原胺化反应：C–N键的形成伴随着含氮物种的参与，并伴随着羰基的逐步氢化/还原，最终生成α-氨基酸。作为碳源，α-酮酸在电催化氨基酸合成中表现出更强的结构通用性和更大的反应扩展性[50, 51]。α-碳上的R取代基的高变异性使得可以直接构建结构复杂、功能化甚至手性的氨基酸[52, 53]。涉及α-酮酸的反应过程可以分为两种主要的机理途径，即通过肟中间体的途径和通过亚胺中间体的途径（图4a）。这两种途径的分歧与氮源的性质、施加的电位以及催化剂表面的吸附特性密切相关。通常，NOx或N2在中等电位范围内更容易还原为NH2OH，有利于与α-酮酸缩合形成肟中间体，随后进一步还原为相应的氨基酸。相比之下，在更负的电位下或在特定的催化吸附界面（其中深度还原的氮物种如NH、NH2或NH3占主导）上，α-酮酸更可能通过亚胺介导的途径形成C–N键。

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图4. 各种氨基酸的电合成。(a) α-酮酸和氮源共还原生成多种氨基酸的示意图。(b) 在WOX/D-CB电极上，从-0.3到-0.7 V的不同电位下记录的原位红外吸收光谱。(c) WOX/D-CB电极上相应α-氨基酸的形成途径及其获得的法拉第效率（FE）和产率。经参考文献[40]许可复制。版权2025，Wiley-VCH GmbH。(d) F-Cu3-OF催化甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸的优化FE。(e) 从和丙酮酸合成丙氨酸的反应途径。(f) 在还原的F-Cu3-OF的三核Cu(I)基团上，和CH3COCOO?生成丙氨酸的相应自由能。经参考文献[54]许可复制。版权2024，Wiley-VCH GmbH。

Wu等人[40]报道了一种基于碳材料支撑的WOx亚纳米簇的电催化系统，用于硝酸盐和α-酮酸之间的C–N偶联。为了阐明具体的反应途径和机理，采用了原位傅里叶变换红外光谱系统地探测C–N偶联过程中的关键中间体和反应路线（图4b）。当电极电位从-0.3调整到-0.7 V时，观察到反应物PA的C=O振动带位于1743 cm?1。副产物乳酸的特征O–H和C–O伸缩带分别出现在1330和1209 cm?1。此外，在1156 cm?1处识别出一个新的吸收带，归因于*NH2OH的N–O伸缩振动。当电位进一步降低时，在1663 cm?1处出现一个明显的峰，对应于关键中间体丙酮酸肟（PO）的C=N振动。值得注意的是，WOx/D-CB电极表面的PO信号比对照组弱，表明该电极加速了PO的转化。在此基础上，通过额外的原位表征和计算模拟进一步证实了肟中间体途径。此外，作者将该反应系统扩展到与各种α-酮酸的偶联，实现了C2–C4 α-氨基酸的合成（图4c）。产物结构通过1H NMR得到确认，C2–C4氨基酸的法拉第效率均超过30%，表明该催化系统的底物通用性良好。

Li等人[54]开发了一种含有三核铜簇和全氟烷基基团（F-Cu3-OF）的疏水晶体有机金属框架，实现了多种氨基酸的电催化合成，包括甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸（图4d）。通过密度泛函理论（DFT）计算，他们提出并验证了一种不同于肟途径的氨基酸合成机理，即亚胺介导的途径（图4e）。在F-Cu3-OF上，硝酸盐首先被还原生成*NH物种。这种中间体与α-酮酸阴离子（如CH3COCOO?）一起有效地吸附在三核Cu(I)活性位点上。两者之间形成稳定的氢键相互作用，显著降低了*NH → *NH2的转化能垒。这导致在共吸附条件下形成*NH2物种。进一步地，*CH3COCOO?–NH2复合物中的这种氢键相互作用促进了热力学上自发的C–N偶联反应，优先形成*CH3CNHCOO?亚胺型中间体。随后，在Cu(I)位点的协同催化下，该中间体经历2e?还原过程生成*CH3CHNH2COO?，最终脱附形成丙氨酸（图4f）。这项工作不仅提供了关于α-酮酸参与的电化学C–N偶联反应的新机理视角，还展示了通过精确调节催化位点和界面微环境来多样化氨基酸合成的可行策略。

氨基酸中的R基团的性质往往在决定其电催化性能方面起着重要作用。氨基酸可以根据多种因素进行分类，包括极性（极性与非极性）、酸碱性（中性、酸性或碱性）以及结构（如脂肪族、芳香族、杂环或亚胺基团）。然而，由于电子效应、空间效应、溶剂化效应和中间体稳定性的复杂相互作用，仅基于R基团预测氨基酸的催化性能仍然具有挑战性。具体来说，根据迄今为止成功合成的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸、异亮氨酸、酪氨酸和其他较少见的脂肪族氨基酸）（表1），结构较简单的氨基酸往往更能避免副反应。特别是非极性或芳香族氨基酸通常具有更稳定的结构，减少了不希望的副反应的可能性。另一方面，结构更复杂的氨基酸，尤其是那些含有额外功能基团或庞大侧链的氨基酸，可能更容易发生副反应或形成不需要的副产物。此外，从反应物和反应途径的角度来看，大多数当前研究主要集中在使用α-酮酸作为主要碳源，对β-酮酸或γ-酮酸系统的探索有限。扩大反应物范围，包括β-或γ-酮酸与含氮物种的电催化偶联，可以实现β-或γ-氨基酸的直接合成，从而克服传统电催化氨基酸合成在分子骨架多样性方面的限制。

表1. 使用α-酮酸作为碳源和各种氮源通过C–N偶联合成各种氨基酸的报道总结。
空单元格
电解质
电位（V vs. RHE）
产品
FE
产率
参考文献
AD-Fe/NC
NO酮酸
HCl 0.1 M–0.60 V
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
亮氨酸
天冬氨酸
12.6%
13.7%
11.3%
11.2%
1.9%
26.8 μmol
67.8 μmol
32.1 μmol
59.3 μmol
11.3 μmol
[55]
F-Cu3-OF 0.2 M
酮酸
KOH 0.5 M–0.60 V
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
亮氨酸
苯丙氨酸
42%
71%
66%
57%
55%
35
4 μmol h–1 cm–2
95
7 μmol h–1 cm–2
300 μmol h–1 cm–2
187 μmol h–1 cm–2
515 μmol h–1 cm–2
[54]
CoFe-SSM
NO酮酸
HCl 0.1 M–0.70 V
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
谷氨酸
天冬氨酸
亮氨酸
异亮氨酸
苯丙氨酸
41.2%
38.2%
5.3%
24.1%
16.9%
32.4%
5.0%
3.2%
16
4.4 μmol h–1
15
3.2 μmol h–1
25
6 μmol h–1
99.8 μmol h–1
61.9 μmol h–1
115.4 μmol h–1
20.6 μmol h–1
13.5 μmol h–1
[41]
WOx/D-CB
0.1 M
酮酸
HCl 0.1 M–0.50 V
甘氨酸
丙氨酸
天冬氨酸
亮氨酸
49.3
4%
38.2
2%
17.4
7%
13.0
3%
93 μmol h–1 cm–2
47.6 μmol h–1 cm–2
28 μmol h–1 cm–2
19 μmol h–1 cm–2
[40]
Cu/Bi?C@CF
0.3 M
酮酸
HCl 0.1 M
75 mA
甘氨酸
丙氨酸
亮氨酸
天冬氨酸
谷氨酸
65.9%
58.4%
50.8%
36.7%
31.1%
76.9 μmol h–1 cm–2
68.1 μmol h–1 cm–2
59.2 μmol h–1 cm–2
42.7 μmol h–1 cm–2
36.3 μmol h–1 cm–2
[56]
PbBi
0.25 M
酮酸
0.25 M
H2SO4 1.5 M–1.26 V
丙氨酸
苯丙氨酸
甘氨酸
天冬氨酸
亮氨酸
缬氨酸
谷氨酸
59.7%
52.6%
46.1%
36.4%
25.3%
20.9%
20.6%
1.25 mmol h–1 cm–2
1.07 mmol h–1 cm–2
0.63 mmol h–1 cm–2
0.78 mmol h–1 cm–2
0.34 mmol h–1 cm–2
0.39 mmol h–1 cm–2
0.59 mmol h–1 cm–2
[57]
Cu/Cu2O
0.5 M
酮酸
0.2 M
KH2PO4 0.05 M (pH = 6.5)–0.60 V
甘氨酸
丙氨酸
谷氨酸
亮氨酸
75.7
8%
46.0
0%
51.25%
47
8.89 μmol
───
[58]
Bi NSs
0.1 M
NH2OH
酮酸
HNO3 1 M–0.70 V
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
谷氨酸
天冬氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
99.4%
69.0%
96.8%
37.6%
71.8%
99.7%
45.2%
1.72 mmol h–1 cm–2
1.22 mmol h–1 cm–2
0.14 mmol h–1 cm–2
0.91 mmol h–1 cm–2
1.28 mmol h–1 cm–2
0.93 mmol h–1 cm–2
0.10 mmol h–1 cm–2
[59]
Ag/Cu NWs
NH2OH
96 mM
酮酸
60 mM
H2SO4 0.2 M–0.32 V
丙氨酸
甘氨酸
天冬氨酸
谷氨酸
亮氨酸
85.3
5%
76.88%
82.3
3%
70.49%
87.0
3%
690 μmol h–1 cm–2
112
μmol h–1 cm–2
64
μmol h–1 cm–2
62
μmol h–1 cm–2
57
μmol h–1 cm–2
[60]
Cu/Ti
NH2OH
96 mM
酮酸
160 mM
H2SO4 0.2 M–0.62 V
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
谷氨酸
天冬氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
74.1%
90.5%
69.8%
51.3%
65.8%
72.2%
64.8%
121.5 μmol h–1
162.0 μmol h–1
97.0 μmol h–1
187.0 μmol h–1
111
μmol h–1
112
μmol h–1
192.0 μmol h–1
[61]
BM-CNT
NH3
6 M
酮酸
100 mM (pH = 10)–0.39 V
甘氨酸
丙氨酸
苯丙氨酸
天冬氨酸
谷氨酸
酪氨酸
87.4%
45.0%
92.8%
46.9%
90.0%
72.9%
16.6 μmol g–1 cm–2
43.3 μmol g–1 cm–2
45.9 μmol g–1 cm–2
14.8 μmol g–1 cm–2
124 μmol g–1 cm–2
124
μmol g–1 cm–2
11
μmol g–1 cm–2
[62]
e-Bi
0.5 M
酮酸
0.5 M
H2SO4 0.5 M–0.76 V
甘氨酸
丙氨酸
亮氨酸
91.3%
51.9%
32.28%
39
8.2 mmol L–1
16.6 μmol L–1
14.1 μmol L–1
[63]

2.2 CO2/草酸和氮源电催化C–N偶联生成甘氨酸的反应途径
二氧化碳（CO2）是工业活动中排放的主要温室气体之一，由于其持续积累对全球气候和生态系统构成严重挑战[64, 65, 66, 67, 68, 69]。通过合理的催化剂和反应系统设计，CO2可以选择性地转化为多种含氧或含碳的化学品[70, 71]。与直接生成高碳数产品相比，将CO2转化为结构更简单的中间体提供了更好的反应途径可控性和系统稳定性。在这些路线中，二氧化碳（CO2）电催化还原为草酸（OA）已被广泛研究[72, 73]。OA可以作为关键的C2碳源，在电化学条件下进一步转化为甘油酸（GA）中间体，这些中间体随后与电化学生成的含氮中间体进行C–N偶联，从而实现通过OA作为中间体逐步合成甘氨酸（图5a）。此外，OA在来源多样性和可持续性方面具有显著优势。除了通过CO2电还原制备外，OA还可以通过生物质衍生原料（如农业废弃物）的化学或电化学降解获得[74]。OA具有简单的分子结构、低成本，并且资源丰富。此外，在电化学条件下，OA可以选择性地还原为GA，为后续与羟胺的C–N偶联提供合适的反应性和有利的动力学窗口。

图5. 甘氨酸的电合成。(a) 二氧化碳/草酸盐和氮源共同还原用于甘氨酸合成的示意图。(b) 在不同电位下积累400 C电荷后各种产物的电转换效率（FE）。(c) 随着电荷积累，甘油酸和甘氨酸浓度及FE的变化。经参考文献[35]许可复制。版权所有2021，Wiley-VCH GmbH。(d) 在ed-PbCu表面上甘氨酸生成途径的示意图。(e) 在ed-Cu、ed-Pb和ed-PbCu催化剂上合成各种产物的FE热图。经参考文献[75]许可复制。版权所有2024，美国化学会。

该反应路径通常遵循之前提出的通用三步机制。首先，OA通过两电子转移过程电催化还原形成GA。同时，含氮前体（如NOx或N2）被电还原生成NH2OH，NH2OH被广泛认为是C–N键构建的关键含氮中间体。随后，原位生成的GA与NH2OH通过亲核加成反应化学偶联，生成甘油酸肟（GAO）中间体。最后，这种肟中间体在电化学条件下经历多个质子耦合电子转移步骤，并进一步氢化生成最终产物甘氨酸（图5a）。

Kim等人[35]首次提出了一种新的电化学合成系统，其中使用来自CO2转化的OA作为碳源，硝酸盐作为氮源，实现了高达43.1%的甘氨酸电催化合成。研究发现，OA的电还原需要强酸性条件，这对电极材料提出了严格要求，特别是需要较高的过电位来有效抑制竞争性副反应。在构建的Cu–Hg电催化系统中，将施加的电位降低到更负的值可以显著降低副产物乙醇酸的FE，同时显著提高氢气释放反应的FE。同时，关键中间体GA和目标产物甘氨酸的FE也都有所提高。图5b表明反应系统内部不同还原过程之间存在明显的竞争，而在较低电位下操作有利于促进反应。为了更深入地了解甘氨酸的形成机制，系统地分析了电解过程中产生的中间体和副产物。1H NMR光谱确认了GA、乙醇酸和GAO的存在。进一步的控制实验表明，甘氨酸可以在仅含有GA和NH2OH的混合溶液中成功生成，而在含有GA和NH3的系统中未检测到甘氨酸。这些结果清楚地表明，在该系统中，NH2OH而不是NH3是负责C–N键形成的关键含氮中间体。基于这些实验发现，反应路径可以总结为涉及三个相互关联的关键步骤：OA的电催化还原生成亲电性GA，硝酸盐的电还原生成亲核性NH2OH，以及GAO中间体的电催化还原生成甘氨酸。对于这个多步骤反应系统，研究进一步揭示了中间体的有效积累在提高甘氨酸选择性方面起着关键作用。通过延长电解时间，系统地监测了GA和甘氨酸的浓度及其FE作为电荷积累的函数。当积累的电荷从400 C增加到4000 C时，GA的浓度从0.022 M增加到0.046 M，甘氨酸的FE从26.1%提高到43.1%，而GA的FE显著降低到6.57%（图5c）；这些结果表明，适当积累关键中间体GA可以显著提高甘氨酸合成的效率。值得注意的是，现有的非电化学胺化方法通常仅限于GA与NH2OH的缩合生成甘氨酸，无法直接从OA和硝酸盐开始实现这种转化。从概念上讲，这种电催化系统的开发是对依赖预活化碳和氮源的传统胺化反应的突破，成功地将结构稳定且相对惰性的原料（如OA和硝酸盐）偶联成氨基酸产物。

Li等人[75]展示了一种用于从OA和NH2OH电合成甘氨酸的新型双位点ed-PbCu催化剂设计策略（图5d）。通过将这种催化剂与流动池电解配置结合，在工业相关的电流密度200 mA cm?2下实现了高效且选择性的甘氨酸生产，最大FE高达78%。在这种机制中，OA首先在Pb位点还原为GA。原位生成的GA随后与NH2OH发生亲核偶联生成肟中间体。最后，肟中间体在Cu位点快速氢化并还原生成甘氨酸。值得注意的是，整个反应通过Pb和Cu相之间的协同调节得到了优化，其中Pb组分有效抑制了在Cu位点发生的不希望的副反应，从而提高了甘氨酸形成的整体选择性。为了阐明Pb和Cu在甘氨酸合成中的各自作用，分别通过电化学沉积制备了单相催化剂ed-Pb和ed-Cu，并将其产物分布与在相同电流密度下的ed-PbCu进行了系统比较。如图5e中的热图所示，ed-PbCu催化剂表现出最高的甘氨酸生成FE。相比之下，ed-Cu催化剂优先生成H2和其它产物，表明Cu位点有利于肟中间体的质子化和氢化。同时，在ed-Pb系统中检测到了肟产物，表明Pb位点促进了OA的还原为GA及其与NH2OH的偶联。总体而言，这些结果表明ed-Pb和ed-Cu以互补的方式发挥作用，协同促进了C–N键的形成和甘氨酸的合成。

尽管基于OA和含氮物种的电催化途径在甘氨酸合成方面表现出良好的可行性和高选择性（表2），但大多数现有研究仍然依赖于预先合成或外部提供的OA作为碳源，使得这些系统本质上是多步骤或级联反应过程。从反应工程和可持续化学的角度来看，进一步简化反应方案和减少中间体分离步骤仍然是必须解决的挑战。未来的研究可以专注于直接将二氧化碳与氮源偶联，以实现一步或高度集成的甘氨酸电催化合成。这样的策略将对催化剂在多功能活性位点协作、基本步骤之间的动力学匹配以及界面反应调控方面提出更严格的要求。

表2. 使用草酸/CO2作为碳源和各种氮源进行C–N偶联电催化合成甘氨酸的总结。

| 催化剂 | C源 | N源 | 电解质 | 电位/电流密度 | FE | 收率 | 参考文献 |
|---------|-------------|--------------|-------------|-----------------|----------------|-------------|
| Cu-Hg | OA 0.25 M | 0.25 M | 15 wt% H2SO4–1.4 V vs. Ag/AgCl | 43.1% | 184 μmol cm?2 h?1 (–1.8 V) | [35] |
| | Calcine Ti foil | OA 160 mM | NH2OH 96 mM | 0.5 M H2SO4–0.7 V vs. RHE | 28% | — | [76] |
| | enzymatic | CO2 | NH4Cl 50 mM | PBS (pH 7.0) | 96.8% | 115 μmol L?2 h?1 | [37] |
| | Fe-N-C | 700 | OA 0.5 M | 0.5 M N2 | — | –0.9 V vs. RHE | –1.0 V vs. RHE | 64.2% | 70.7% (N) | [77] |
| | ed-PbCu | OA 0.25 M | NH2OH 0.25 M | 0.2 M H2SO4–200 mA cm-2 | 78.8% | — | [75] |
| | Cu foam@Cu NPs | CO2 | 0.5 M H2SO4–0.6 V vs. RHE | 5.9% | 5.2 | 35 g/24 cycles | [38] |
| | CuPb | 1M | OA 0.25 M | NH2OH 0.25 M | 0.1 M H2SO4–1.3 V vs. RHE | 57% | 211 μmol cm?2 h?1 | [78] |
| | Pb/Pb7 | Bi3-C | CO2 | 0.1 M | –1 V vs. RHE | –1.1 V vs. RHE | 91.8% | 93.2% (N) | 173 μmol cm?2 h?1 | [79] |
| | PbSnBi | OA 0.25 M | 0.25 M | 1.5 M H2SO4–1.5 V vs. SCE | 57.2% | 1.13 mmol cm?2 h?1 | [80] |
| | IL@Bi | OA 0.5 M | 0.5 M N2 | — | –1.3 V vs. RHE | –1.4 V vs. RHE | 81.1% | 89% (N) | 3.6?mol h?1 | 0.41?mol h?1 | [81] |
| | Pb foil | OA 0.5 M | 0.5 M | — | 300 mA cm-2 | 59% | 82 | 0 μmol cm?2 h?1 (–400 mA cm?2) | [82] |
| | rutile TiO2/CN | OA 0.1 M | 0.1 M | 0.1 M HClO4–0.68 V vs. RHE | 57% | — | [83] |

2.3. 丙酮酸和氮源电催化C–N偶联生成丙氨酸的反应途径

除了直接使用丙酮酸作为碳源外，早期研究通常提出含有乳酸基团的塑料废弃物（如废弃的PLA）可以降解生成丙酮酸，后者可以作为丙氨酸合成的α-酮酸前体，从而实现利用废弃有机资源生成高价值产品[84, 85, 86]。然而，直到2025年，研究人员才首次实现了废弃PLA的直接电化学转化成丙酮酸，并进一步将其整合到电催化氨基酸合成系统中，实现了使用废弃聚合物作为碳源的电催化合成丙氨酸[39]。总体而言，该反应路径可以分为两个顺序耦合的过程（图6a）：废弃PLA的转化和利用，以及丙酮酸与含氮物种的协同还原以合成丙氨酸。在碳源转化阶段，废弃PLA被水解成乳酸，然后通过电催化脱氢过程转化为丙酮酸。此外，先前的研究还表明，废弃PLA也可以在电化学条件下通过一步还原策略直接转化为丙酮酸，从而为后续氨基酸合成提供可用的α-酮酸前体。在此基础上，丙酮酸与氮源的共同还原以合成丙氨酸通常遵循之前提出的通用三步反应机制。氮源的还原、C–N键的形成以及肟中间体的质子化和氢化依次发生，最终生成目标产物丙氨酸（图6a）。这种反应路径以NH2OH和肟中间体的参与为特征，是目前关于电催化合成丙氨酸研究中广泛接受的机制模型。除了这一主要途径外，少数研究还表明，在特定反应条件下，不同的含氮前体也可能在电化学还原过程中生成*NH3或*NH2等氮物种。这些物种可以与丙酮酸发生缩合反应生成亚胺中间体，随后通过电化学氢化过程转化为丙氨酸。尽管在实际的废弃PLA中不可避免地存在杂质，Pt/SiO2催化剂仍然能够保持80-85%的PA选择性（图6c）。在140°C下、空气气氛（1 MPa）下连续运行十个反应循环后，PA的产率仍稳定在大约80%（图6d），催化剂的结构或化学状态没有显著变化，这表明其具有出色的稳定性和实际应用的潜力。随后，通过PLA催化得到的PA直接与溶液混合，并在经过应变工程处理的CuBi合金电催化剂上进行协同电解，从而高效合成了丙氨酸。Li等人[87]使用了一种基于气体扩散层（GDL）的OD-Ag催化剂，通过PA和NO的共还原实现了丙氨酸的克级电催化合成，在接近工业电流密度下获得了高产率和FE。该研究还提出并阐明了丙氨酸形成的反应路径：在OD-Ag电极表面，NO首先被还原生成关键中间体NH2OH，然后NH2OH与PA自发缩合形成肟中间体，随后通过质子-电子转移驱动的氢化反应最终生成丙氨酸（图6e）。为了系统评估这一反应系统的可行性，作者首先在气体供给的三室流动电解槽中研究了NO和PA的共还原以生成丙酮酸肟（PO）。在50-500 mA cm?2的广泛电流密度范围内，OD-Ag催化剂上PO的FE始终超过74%（图6f），同时有效抑制了乳酸等副产物的生成。这种行为可能是由于共供给的PA作为亲电试剂，在电极/电解质界面捕获了生成的NH2OH，从而促进了NH2OH的形成并抑制了其过度还原为NH3，这是实现液相中高纯度PO生成的关键因素。在此基础上，作者进一步使用两室液相流动电解槽评估了PO向丙氨酸的电催化转化（图6g）。随着电流密度从50增加到500 mA cm?2，丙氨酸的FE总体上呈下降趋势；然而即使在300 mA cm?2的高电流密度下，FE仍保持在70%以上，表明在高电流操作下反应是可行的。通过这种空间分离的两步电催化策略，成功地实现了从NO和PA连续合成丙氨酸，为氨基酸的可扩展电合成提供了一个有价值的例子。Wu等人[88]通过收集标记有15N同位素的产品NMR光谱，系统追踪了电催化偶联反应中涉及的氮源，从而进一步证实了所提出反应路径的有效性和可靠性（图6h）。机理研究表明，吸附的NO首先与Cu位点上的金属发生自发氧化还原反应，生成相应的物种。这些物种随后经历涉及四个电子和七个质子的连续氢化过程，生成关键中间体NH2OH。在此过程中，生成的进一步被还原回金属Cu，使其能够参与后续的还原循环。随后，原位生成的NH2OH与PA自发缩合形成PO中间体，这一步骤有效抑制了NH2OH过度还原为NH3。值得注意的是，这一过程本质上是一个非电化学反应阶段，在此过程中电极和有机中间体（PA和NH2OH）之间没有直接的电子转移。最后，生成的PO在Pd活性位点上经历涉及四个电子和四个质子的电化学还原过程，进一步转化为目标产物丙氨酸（图6i）。

近年来，基于PA和含氮物种的电催化路线在丙氨酸的高选择性合成方面取得了显著进展（表3）。与甘氨酸合成系统类似，大多数现有研究仍然依赖外部添加或预先制备的PA作为碳源。从资源利用和过程整合的角度来看，进一步扩展可再生、低成本甚至废弃物的碳源的使用是这一反应路径未来发展的关键方向。在这方面，如废弃PLA、生物质衍生的有机酸和乳酸等可再生资源为原位生成PA提供了重要途径。未来的研究可以进一步探索PLA解聚、生物质氧化或CO2还原过程与电催化丙氨酸合成的耦合，从而通过一步或高度集成的电化学系统直接将复杂或低价值的碳源转化为丙氨酸。此外，通过CO2和氮源的协同电还原直接一步电合成丙氨酸——完全绕过PA中间体——提供了一个极具挑战性但也极具前景的研究方向。

表3. 使用丙酮酸作为碳源和各种氮源通过C–N偶联电催化合成丙氨酸的总结。
| 催化剂 | C源 | N源 | 电解质 | 电位/电流密度 | FE | 产率 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| OD-Ag | PA | NO | 0.5 M PBS (pH = 5.8) –0.56 V vs. RHE | 17% | 11.45 μmol h–1 | [87] |
| PdCuNBWs | PA | 0.05 M 1 M KHSO4 (pH = 5) –0.30 V vs. RHE | 54.8% | —— | [88] |
| NS-CNSPA | PA | 0.04 M 2 M KOH = 10 –0.30 V vs. RHE | 79.5% | 1.2 mmol h?1 cm?2 (–0.5 V) | [89] |
| Zn | 0.25Co2.75O4 | PA | 0.35 M | NO | 0.1 M NaOH + 0.9 M NaClO4 | –150 mA cm?2 | 78.2% | 0.62 mmol h?1 cm?2 | [90] |
| TiO2/Ti felt | PA | 0.15 M | NH2OH | 0.15 M | 0.5 M H2SO4 | –12 mA cm?2 | 75% | —— | [91] |
| CeO2–NRs | PA | 0.05 M | 0.5 M | 0.1 M H2SO4 | –80 mA cm?2 | 17.5% | 52.58 μmol h–1 cm?2 | [92] |
| CuBi | PA | 0.15 M | 1.5 M | 0.25 M H2SO4 | –150 mA cm?2 | 67% | —— | [39] |

**设计电催化剂用于氨基酸合成的策略**
催化剂的选择对电催化氨基酸合成系统的整体性能至关重要。确定合适的催化剂通常需要综合考虑金属元素的内在性质和催化剂结构设计。迄今为止，用于电催化氨基酸合成的金属元素包括Bi、Pb、Sn、Cu、Co、Fe、Ag、Hg、Pd、Ti、Zn、W、Cd和Ce。其中，d区金属（如Cu、Fe和Co）通常对含氮中间体具有强吸附性。虽然这一特性有利于硝酸盐或氮氧化物的初始活化，但往往会导致关键中间体NH2OH的过度还原，最终生成NH3[93, 94, 95]。相比之下，p区金属（如Bi、Pb和Sn）对NH2OH的吸附强度相对适中，有利于其形成和积累。因此，这些金属在抑制副反应和促进后续C–N偶联过程中表现出更好的选择性[96, 97]。另一方面，f区金属（如Ce）由于其独特的f轨道电子结构和强亲氧性，可以有效促进N–O键的活化，从而降低NH2OH形成的能量障碍[98]。从更广泛的周期表角度来看，除了广泛研究的d区金属和选定的p区金属外，s区元素和p区类金属也显示出电催化氨基酸合成的潜在研究价值。尽管碱金属和碱土金属由于缺乏d轨道，不太可能作为还原或C–N偶联反应的直接活性中心，但它们可能在调节电极/电解质界面电场、稳定极性反应中间体和抑制HER方面发挥重要作用[99]。相比之下，p区类金属（如B、Ge、Sb和Te）具有可调的p轨道电子结构和适中的吸附能力，可能在稳定NH2OH和α-酮酸衍生物中间体以及引导反应路径向肟或亚胺中间体方面提供更大的优势[100]。然而，对这些元素的系统研究仍然很少，它们的元素性质与反应选择性之间的内在相关性尚未完全阐明。在结构层面，已经采用了多种催化剂设计策略来精细调节催化活性位点，包括单原子催化剂、双金属催化剂、金属氧化物和金属有机框架材料。在以下部分，将讨论代表性研究，以阐明这些不同结构设计策略在电催化氨基酸合成中的机理作用和性能优势。

**3.1 单原子催化剂**
单原子催化剂（SACs）是一类催化材料，其中催化活性位点由空间分离的单个金属原子组成，通常通过与支撑基底的强相互作用来稳定[101, 102]。将金属物种分散到原子尺度可以最大化原子利用率，同时显著增加可访问活性位点的密度，从而有效提高整体电催化性能[102, 103, 104, 105, 106]。此外，分离的金属原子与其锚定基底之间的协同相互作用赋予SAC系统独特的电子结构和表面化学性质，使其能够适应不同电催化反应所需的独特反应路径和中间体稳定[107, 108]。SACs的常见支撑材料包括金属有机框架（MOFs）、金属化合物、碳基材料和MOF衍生的碳材料。得益于其原子级分散的活性位点和强金属-基底相互作用，SACs在电催化反应中经常表现出出色的活性、选择性和结构稳定性，并且近年来在C–N偶联过程中（包括电催化氨基酸合成）引起了越来越多的关注。Cheng等人[77]报道了一种原子级分散的Fe SAC，其合成方法如图7a所示。通过调节热解温度，可以调节吡咯氮在Fe单原子周围的配位环境；在600和700°C时，FeN3C构型占主导地位，而将热解温度进一步升高到800°C时逐渐形成FeN4配位结构。研究发现，Fe–N–C-700构型以FeN3C为主导且吡咯氮含量高，其在电催化甘氨酸合成中表现出最佳性能。该催化剂在相对较低的过电位下实现了高效的C–N偶联，甘氨酸的最大FE约为64%，明显优于其他配位环境的对照样品（图7b）。机理研究表明，FeN3C构型与吡咯氮之间的协同相互作用有效地促进了OA向GA的选择性还原，同时抑制了其进一步深度还原为副产物如甘油酸。同时，DFT计算表明，FeN3C构型显著降低了关键中间体*HOOCCH2NH2的形成能障碍，从而加速了GA向甘氨酸的转化动力学（图7c）。此外，适当的Fe–N配位环境不仅有助于稳定反应中间体，还防止了含氮物种（如NH2OH）过度还原为NH3，从而整体提高了C–N偶联的选择性。

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图7. 用于电合成氨基酸的单原子催化剂。(a) FeN3C的合成示意图。(b) 在0.5 M草酸 + 0.5 M NaNO3条件下，FeN3C上甘氨酸的jGlycine和FE的关系图。(c) 在FeN3C和FeN4上甘氨酸肟还原的自由能变化。经参考文献[77]许可复制。版权2024，美国化学会。(d) TiO2/Ti、TiOx/Ti和adFe-TiOx/Ti上产品分布、甘氨酸选择性和甘氨酸转化率的比较。(e) adFe-TiOx和TiOx表面上甘氨酸生成率和产率的比较。(f) adFe-TiOx和TiOx表面上还原反应的自由能变化。(g) adFe-TiOx和TiOx表面上甘氨酸肟还原的自由能变化。经参考文献[109]许可复制。版权2025，Wiley-VCH GmbH。
Zhu等人[109]开发了一种由原子级分散的铁锚定在缺陷丰富的TiO2（adFe-TiOx/Ti）上的SAC，通过引入氧空位缺陷来稳定分离的Fe单原子位点，并有效调节其局部电子结构。在甘氨酸合成系统中，adFe-TiOx/Ti电极实现了100%的GA转化率和80.2%的甘氨酸选择性，明显优于TiO2/Ti（图7d）。同时，甘氨酸的生成率高达236.1 μmol h?1，约为TiO2/Ti的23.8倍（图7e），突显了SAC在提高反应动力学方面的显著优势。DFT计算进一步阐明了adFe位点的关键作用（图7f和7g）。在硝酸盐还原过程中，关键步骤如*HNO → *H2NO的能障碍在adFe-TiOx上显著降低，有利于*NH2OH的形成。在电催化GA向甘氨酸的氢化过程中，决定速率的步骤(*NH–CH2–COOH → *NH2–CH2–COOH)在adFe-TiOx上的能量障碍仅为0.03 eV，远低于TiOx，表明在没有单原子Fe位点的情况下反应受到动力学阻碍。此外，这种催化系统表现出良好的底物通用性，能够从不同的α-酮酸前体合成多种α-氨基酸，如甘氨酸和丙氨酸，这突显了单原子催化策略在复杂分子电合成中的巨大潜力。3.2. 双金属催化剂在某些反应系统中，单一金属催化剂不足以满足高效催化的需求；相比之下，双金属催化剂结合了两种不同的金属活性位点，表现出更大的灵活性和可调性。一般来说，双金属催化剂的优点主要源于多位点的协同效应。在电催化C–N偶联反应中，这两种金属可以承担不同的功能角色；例如，一种金属优先促进含氮物种（如N2）的选择性还原，而另一种金属则更有利于肟或亚胺中间体的质子和氢化。这种界面性的逐步反应路径有助于整个反应的有效进行，并降低了关键C–N键形成步骤的动力学障碍。这种分工机制被广泛认为是提高各种双金属系统中氨基酸电合成选择性的核心因素之一。从电子结构调控的角度来看，两种金属之间的电荷转移及其配位环境的重构可以显著调节反应中间体的吸附强度。例如，在Cu–Bi、Cu–Sn或Pb–Bi系统中，引入p区金属可以有效减弱d区金属对NH2OH的过度吸附，从而抑制其过度还原为NH3，为后续肟中间体的形成提供更合适的反应窗口。Xian等人使用钴铁普鲁士蓝类似物（CoFe-PBA）和聚丙烯腈（PAN）作为前体，通过电纺丝结合随后的热解和碳化成功制备了负载CoFe双金属合金的自支撑碳纤维膜电极（CoFe-SSM）。以亮氨酸的电合成为例，作者系统研究了该系统的催化性能以及不同金属位点在反应中的作用。如图8b所示，在-0.7 V（相对于RHE）时，CoFe-SSM对4-甲基-2-氧戊酸的转化率为98.5%，主要产物为亮氨酸，选择性为56.7%，最大FE为32.4%。为了进一步阐明反应条件及双金属位点在电催化过程中的作用，进行了一系列对照实验。在相同条件下，研究人员评估了无金属的NC-SSM电极以及单金属自支撑膜电极（Co-SSM和Fe-SSM）。结果表明，它们的催化活性明显低于CoFe-SSM。值得注意的是，实验结果表明Co位点更有利于肟中间体的形成，而Fe位点则优先促进后续的氢化步骤，表明Co和Fe之间存在明显的协同作用。这两种金属位点在不同反应阶段的功能分工与合作共同实现了CoFe-SSM上高效电催化合成亮氨酸。更重要的是，CoFe-SSM催化系统不仅限于亮氨酸的电合成。通过引入一系列结构不同的α-酮酸，作者成功电合成了多达13种不同的α-氨基酸，涵盖了从相对简单结构到侧链逐渐复杂的分子。下载：下载高分辨率图像（806KB）下载：下载全尺寸图像图8. 用于氨基酸电合成的双金属催化剂。(a) 合成CoFe-SSM的示意图。(b) 使用CoFe-SSM在不同电位下进行亮氨酸电合成过程。(c) 在不同测试条件下使用CoFe-SSM和对照样品制备的亮氨酸产率。经许可转载自参考文献[41]。版权2023，Wiley-VCH GmbH。(d) 使用Cu/Bi?C@CF催化剂进行甘氨酸电合成的示意图。(e) 在受控实验条件下，Cu/Bi?C@CF与对比催化剂在甘氨酸电合成中的FE。经许可转载自参考文献[56]。版权2025，Wiley-VCH GmbH。Liao等人报道了一种基于MOF阵列的Cu–Bi双金属催化剂，并将其原位构建在铜泡沫（CF）基底上，用于高效电合成甘氨酸。为了深入了解甘氨酸电合成性能提升的机制，系统研究了一系列对照催化剂。在裸露的CF上，产物几乎完全由NH3组成，FE高达89.9%，表明Cu表面强烈吸附并激活NO，迅速断裂N–O键以选择性形成NH3，但在促进C–N偶联方面效果不佳。未经Bi3+交换步骤制备的Cu–C@CF催化剂也表现出有限的甘氨酸形成（选择性为41%，FE为9.9%）。然而，与裸露的CF相比，它显示出更好的氢化和C–N偶联能力，表明引入MOF衍生的碳层增强了GA在电极表面的吸附，从而促进了后续的氢化和C–N偶联步骤。当Bi粉末物理负载到Cu–C@CF电极上时（Bi on Cu–C@CF），甘氨酸和GA的产量进一步增加，同时肟中间体的量显著减少，表明Bi的引入促进了氢化步骤。总体而言，该催化系统的高效率源于多个组分的协同作用：Cu位点主要激活硝酸盐物种，Bi的引入促进了NH2OH中间体的形成并促进了肟的形成和后续的氢化，而MOF框架不仅确保了Bi在Cu位点周围的高分散性，还增强了GA的吸附。通过有序锚定MOF阵列，随后通过碳化诱导Bi的掺入，双金属活性位点之间的协同作用显著增强，从而共同推动了多步骤级联反应的有效进行。3.3. 金属氧化物催化剂金属氧化物催化剂是一类以金属-氧框架为主要活性相的电催化材料。它们的催化性能不仅取决于金属中心本身，还强烈依赖于金属氧化态的分布、金属-氧键的化学特性以及相关的缺陷结构和表面/界面电子性质。大量研究表明，不同形态和晶体相的金属氧化物在暴露的晶体面、金属配位环境及缺陷分布方面存在显著差异。在金属氧化物催化剂中，氧空位被广泛认为是控制电催化性能的最关键结构因素之一。氧空位的引入不仅显著提高了电导率和电荷传输性能，还调节了金属中心的局部电子状态和配位环境，从而赋予它们更合适的催化活性。特别是在涉及多个电子和中间体的复杂反应系统中，氧空位通常作为反应物和中间体的“锚定点”，增强了它们在催化剂表面的稳定性和局部富集。这促进了协同吸附并促进了后续反应步骤。此外，氧空位可以有效调节反应过程中不同中间体之间的竞争。例如，通过减弱某些中间体的过度吸附或抑制不希望的副反应路径，氧空位有助于将关键活性物种保持在最佳表面覆盖范围内，从而为多步骤级联反应创造更有利的动力学条件。Shao等人采用了一种面控合成策略，制备了一系列暴露不同晶体面（如{100}、{110}和{111}的CeO2纳米晶体，得到了具有不同形态的纳米结构。随后通过还原处理在其表面引入了丰富的氧空位缺陷。结构表征显示不同晶面之间的氧空位形成能、空位密度和相应的Ce3+/Ce4+比率存在显著差异，导致各向异性的电子结构和表面化学性质。研究人员系统评估了CeO2–NRs、CeO2–NPs、CeO2–NOs和CeO2–NCs作为丙氨酸合成C–N偶联催化剂的性能。结果表明，CeO2–NRs表现出最佳的电催化性能，显著优于其他三种CeO2催化剂。进一步比较不同电流密度下的催化性能发现，CeO2–NRs在-80 mA cm?2时实现了最佳的丙氨酸合成性能，FE为17.45%，相应的形成速率为52.58 μmol cm?2 h?1。为了阐明各种CeO2催化剂性能差异的内在原因，进行了系统的电化学动力学分析。CeO2–NRs的Tafel斜率仅为78.77 mV dec?1，明显低于其他三种CeO2催化剂的斜率，表明其反应动力学更优，电子转移更快。此外，在非法拉第区域进行的循环伏安法（CV）测量显示CeO2–NRs具有最大的双层电容（Cdl）和电化学活性表面积（ECSA）。这表明CeO2–NRs提供了更高的电化学活性位点密度，从而促进了C–N偶联反应。值得注意的是，该催化系统不仅限于丙氨酸的电合成，还可以成功扩展到其他五种氨基酸的制备。通过拉曼光谱、XPS和EPR表征，作者进一步阐明了不同CeO2晶体面导致的氧空位密度差异。结果表明，暴露{110}面的CeO2–NRs具有最低的氧空位形成能障碍和最高的Ov/Ce3+比率。这些面依赖的氧空位密度变化显著影响了反应物的吸附和活化以及关键中间体的形成和转化，被认为是CeO2–NRs在电催化C–N偶联向丙氨酸合成中表现出优越活性和选择性的根本原因。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图9. 用于氨基酸电合成的金属氧化物催化剂。(a) CeO2–NRs、CeO2–NCs、CeO2–NOs和CeO2–NPs的简便水热合成示意图。(b) 所制备催化剂的含碳液体的FE和产率。(c) 不同CeO2纳米催化剂上丙氨酸的电流密度依赖FE。(d) 不同CeO2催化剂的Tafel斜率。(e) 不同CeO2催化剂的Nyquist图。经许可转载自参考文献[92]。版权2025，美国化学会。(f) CuO/C800催化剂及其衍生的Cu/Cu2O异质结构的合成和表征。(g) 在Cu/Cu2O异质结构上进行丙氨酸的C–N偶联示意图。(h) 在Cu(111)/Cu2O(111)异质结构上的CH3CNHCOO–自由能。(i) 在Cu(111)/Cu2O(111)异质结构上的CH3CNHCOO–自由能。经许可转载自参考文献[58]。版权2025，美国化学会。Tan等人报道了一种基于铜氧化物的高效Cu/Cu2O异质结构电催化系统。具体来说，首先通过温和的热处理结合简便的热解过程制备了CuO/C催化剂；在电催化反应过程中，该催化剂发生了原位结构重构，生成了Cu(111)和Cu2O(111)面之间紧密接触的Cu/Cu2O异质界面。在该系统中，金属Cu位点主要负责高效激活和还原含氮物种，如NO和NO2，促进了含氮物种向关键氮中间体（如NH2OH或NH2）的转化，而Cu2O位点则优先促进α-酮酸及其衍生物的吸附以及后续的氢化过程。这两种活性位点在Cu/Cu2O异质界面上的共存产生了显著的协同效应，空间上将氮基和碳基中间体限制在接近的位置，从而实现了高效的C–N偶联。为了进一步阐明Cu/Cu2O异质结构上的C–N偶联机制，建立了Cu(111)/Cu2O(111)异质结构模型并进行了DFT计算。计算了NO3?、CH3COCOO?和CH3CNHCOO?在Cu0和Cu+位点上的吸附吉布斯自由能（ΔG）。结果表明，NO3?和CH3COCOO?优先吸附在Cu(111)表面，而C–N偶联中间体CH3CNHCOO?在Cu2O(111)表面更稳定。总体而言，DFT结果清楚地揭示了Cu/Cu2O系统中的级联催化特性，具有明确的劳动分工和强烈的协同作用：Cu0位点主导活化作用和C–N键的形成，而Cu+位点促进后续的氢化步骤，它们的合作最终实现了高效和选择性的氨基酸电催化合成。3.4. 金属有机框架材料MOFs是一类通过金属离子或金属簇与有机配体的配位键自组装形成的多孔晶体材料。它们最显著的结构特征是高度有序且可设计的孔结构，以及开放的三维框架，这使得金属有机框架（MOFs）具有超高的比表面积、明确的孔径分布和丰富的内部表面活性位点126, 127, 128。在催化系统中，MOFs的多孔框架和金属节点可以为金属物种提供均匀且稳定的锚定位点，有效抑制金属纳米颗粒的聚集，并实现对金属尺寸、分散性和空间分布的精确调控。因此，MOFs经常被用来承载单原子、双金属或纳米级的金属活性位点，从而显著提高金属原子的利用率和催化稳定性。此外，MOFs中的有机配体和金属节点的组成具有高度可调性，通过合理的结构设计可以定制它们的电子环境和局部化学性质，为金属活性中心与反应中间体之间的相互作用提供有利条件129, 130。Li等人[54]通过2,5-全氟烷基对苯二甲酰肼（PFTH）与三核铜簇前体（Cu3-O-Py）的缩合反应，成功构建了一种基于结晶三核铜簇的有机金属框架，称为F-Cu3-OF（图10a）。在孔道中引入大量的疏水性全氟烷基基团有效地阻止了高极性氢物种的进入，从而显著抑制了竞争性的HER反应，并提高了在铜活性位点附近不太极性的反应物（如酮酸）的富集和吸附概率。利用原位XAFS分析，作者发现原始的三核铜基团会发生可逆的重构，形成一个新的三核Cu(I)结构单元，在该单元中一个Cu(I)原子与另外两个Cu(I)原子以及两个吡唑配体中的两个氮原子配位（图10b）。当电压恢复到开路电压时，特征性的Cu–Cu配位特征基本消失，而Cu–N/Cu–O键合信号几乎完全恢复，表明F-Cu3-OF在电催化过程中经历了高度可逆的结构重构。为了进一步阐明三核铜单元在反应中的关键作用，还合成了无金属的有机框架（F-COF）和仅含有单核铜位点的共价有机框架（CuPor-F-COF）作为对照催化剂。电催化丙氨酸合成测试显示，F-COF仅显示氢气释放活性，没有检测到丙氨酸的形成，这明确证实了三核铜单元是丙氨酸生产的真正活性中心。相比之下，尽管CuPor-F-COF引入了金属位点，但其催化性能明显低于三核铜框架F-Cu3-OF（图10c），进一步证明了三核铜基团中相邻铜离子之间的协同作用在促进丙氨酸生成过程中起着关键作用。得益于疏水性微环境调节和三核铜簇的协同激活双重优势，该催化系统成功地实现了从酮酸高效电催化合成多种α-氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸（图10d和10e）。法拉第效率在42–71%范围内，产率高达187–957 μmol cm?2 h?1，充分展示了基于三核金属簇的有机金属框架在复杂电催化C–N偶联反应中的独特优势和应用潜力。

他们的最突出结构特征是高度有序且可设计的孔结构，以及开放的三维框架，这使得MOFs具有超高的比表面积、明确的孔径分布和丰富的内部表面活性位点126, 127, 128。在催化系统中，MOFs的多孔框架和金属节点可以为金属物种提供均匀且稳定的锚定位点，有效抑制金属纳米颗粒的聚集，并实现对金属尺寸、分散性和空间分布的精确调控。因此，MOFs常被用于承载单原子、双金属或纳米级的金属活性位点，从而显著提高金属原子的利用率和催化稳定性。此外，MOFs中有机配体和金属节点的组成具有高度可调性，可以通过合理的结构设计来定制它们的电子环境和局部化学性质，为金属活性中心与反应中间体之间的相互作用提供有利条件129, 130。Li等人[54]通过2,5-全氟烷基对苯二甲酰肼（PFTH）与三核铜簇前体（Cu3-O-Py）的缩合反应，成功构建了一种基于结晶三核铜簇的有机金属框架，命名为F-Cu3-OF（图10a）。在孔道中引入大量疏水性全氟烷基基团可以有效阻止高极性氢物种的进入，从而显著抑制竞争性的HER反应，并提高在铜活性位点附近不太极性的反应物（如酮酸）的富集和吸附概率。利用原位XAFS分析，作者发现原始的三核铜基团会发生可逆的重构，形成一个新的三核Cu(I)结构单元，在该单元中一个Cu(I)原子与同一三核单元内的其他两个Cu(I)原子以及两个吡唑配体中的两个氮原子配位（图10b）。当电压恢复到开路电压时，特征性的Cu–Cu配位特征基本消失，而Cu–N/Cu–O键合信号几乎完全恢复，表明F-Cu3-OF在电催化过程中经历了高度可逆的结构重构。为了进一步阐明三核铜单元在反应中的关键作用，还合成了无金属的有机框架（F-COF）和仅含有单核铜位点的共价有机框架（CuPor-F-COF）作为对照催化剂。电催化丙氨酸合成测试表明，F-COF仅显示氢气释放活性，没有检测到丙氨酸的形成，这明确证实了三核铜单元是丙氨酸生产的真正活性中心。相比之下，尽管CuPor-F-COF引入了金属位点，但其催化性能仍显著低于三核铜框架F-Cu3-OF（图10c），进一步证明了三核铜基团中相邻铜离子之间的协同作用在促进丙氨酸生成过程中起着关键作用。得益于疏水性微环境调节和三核铜簇的协同激活双重优势，该催化系统成功实现了从酮酸高效电催化合成多种α-氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸（图10d和10e）。法拉第效率在42–71%范围内，产率高达187–957 μmol cm?2 h?1，充分展示了基于三核金属簇的有机金属框架在复杂电催化C–N偶联反应中的独特优势和应用潜力。

他们的最显著的结构特征是高度有序且可设计的孔结构，以及开放的三维框架，这使得MOFs具有超高的比表面积、明确的孔径分布和丰富的内部表面活性位点126, 127, 128。在催化系统中，MOFs的多孔框架和金属节点可以为金属物种提供均匀且稳定的锚定位点，有效抑制金属纳米颗粒的聚集，并实现对金属尺寸、分散性和空间分布的精确调控。因此，MOFs常被用来承载单原子、双金属或纳米级的金属活性位点，从而显著提高金属原子的利用率和催化稳定性。此外，MOFs中的有机配体和金属节点的组成具有高度可调性，可以通过合理的结构设计来定制它们的电子环境和局部化学性质，为金属活性中心与反应中间体之间的相互作用提供有利条件129, 130。Li等人[54]通过2,5-全氟烷基对苯二甲酰肼（PFTH）与三核铜簇前体（Cu3-O-Py）的缩合反应，成功构建了一种基于结晶三核铜簇的有机金属框架，命名为F-Cu3-OF（图10a）。在孔道中引入大量疏水性全氟烷基基团可以有效阻止高极性氢物种的进入，从而显著抑制竞争性的HER反应，并提高在铜活性位点附近不太极性的反应物（如酮酸）的富集和吸附概率。利用原位XAFS分析，作者发现原始的三核铜基团会发生可逆的重构，形成一个新的三核Cu(I)结构单元，在该单元中一个Cu(I)原子与同一三核单元内的其他两个Cu(I)原子以及两个吡唑配体中的两个氮原子配位（图10b）。当电压恢复到开路电压时，特征性的Cu–Cu配位特征基本消失，而Cu–N/Cu–O键合信号几乎完全恢复，表明F-Cu3-OF在电催化过程中经历了高度可逆的结构重构。为了进一步阐明三核铜单元在反应中的关键作用，还合成了无金属的有机框架（F-COF）和仅含有单核铜位点的共价有机框架（CuPor-F-COF）作为对照催化剂。电催化丙氨酸合成测试表明，F-COF仅显示氢气释放活性，没有检测到丙氨酸的形成，这明确证实了三核铜单元是丙氨酸生产的真正活性中心。相比之下，尽管CuPor-F-COF引入了金属位点，但其催化性能仍显著低于三核铜框架F-Cu3-OF（图10c），进一步证明了三核铜基团中相邻铜离子之间的协同作用在促进丙氨酸生成过程中起着关键作用。得益于疏水性微环境调节和三核铜簇的协同激活双重优势，该催化系统成功实现了从酮酸高效电催化合成多种α-氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸（图10d和10e）。法拉第效率在42–71%范围内，产率高达187–957 μmol cm?2 h?1，充分展示了基于三核金属簇的有机金属框架在复杂电催化C–N偶联反应中的独特优势和应用潜力。

他们的最显著的结构特征是高度有序且可设计的孔结构，以及开放的三维框架，这使得MOFs具有超高的比表面积、明确的孔径分布和丰富的内部表面活性位点126, 127, 128。在催化系统中，MOFs的多孔框架和金属节点可以为金属物种提供均匀且稳定的锚定位点，有效抑制金属纳米颗粒的聚集，并实现对金属尺寸、分散性和空间分布的精确调控。因此，MOFs常被用来承载单原子、双金属或纳米级的金属活性位点，从而显著提高金属原子的利用率和催化稳定性。此外，MOFs中的有机配体和金属节点的组成具有高度可调性，可以通过合理的结构设计来定制它们的电子环境和局部化学性质，为金属活性中心与反应中间体之间的相互作用提供有利条件129, 130。Li等人[54]通过2,5-全氟烷基对苯二甲酰肼（PFTH）与三核铜簇前体（Cu3-O-Py）的缩合反应，成功构建了一种基于结晶三核铜簇的有机金属框架，命名为F-Cu3-OF（图10a）。在孔道中引入大量疏水性全氟烷基基团可以有效阻止高极性氢物种的进入，从而显著抑制竞争性的HER反应，并提高在铜活性位点附近不太极性的反应物（如酮酸）的富集和吸附概率。利用原位XAFS分析，作者发现原始的三核铜基团会发生可逆的重构，形成一个新的三核Cu(I)结构单元，在该单元中一个Cu(I)原子与同一三核单元内的其他两个Cu(I)原子以及两个吡唑配体中的两个氮原子配位（图10b）。当电压恢复到开路电压时，特征性的Cu–Cu配位特征基本消失，而Cu–N/Cu–O键合信号几乎完全恢复，表明F-Cu3-OF在电催化过程中经历了高度可逆的结构重构。为了进一步阐明三核铜单元在反应中的关键作用，还合成了无金属的有机框架（F-COF）和仅含有单核铜位点的共价有机框架（CuPor-F-COF）作为对照催化剂。电催化丙氨酸合成测试表明，F-COF仅显示氢气释放活性，没有检测到丙氨酸的形成，这明确证实了三核铜单元是丙氨酸生产的真正活性中心。相比之下，尽管CuPor-F-COF引入了金属位点，但其催化性能仍显著低于三核铜框架F-Cu3-OF（图10c），进一步证明了三核铜基团中相邻铜离子之间的协同作用在促进丙氨酸生成过程中起着关键作用。得益于疏水性微环境调节和三核铜簇的协同激活双重优势，该催化系统成功实现了从酮酸高效电催化合成多种α-氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸（图10d和10e）。法拉第效率在42–71%范围内，产率高达187–957 μmol cm?2 h?1，充分展示了基于三核金属簇的有机金属框架在复杂电催化C–N偶联反应中的独特优势和应用潜力。

他们的最显著的结构特征是高度有序且可设计的孔结构，以及开放的三维框架，这使得MOFs具有超高的比表面积、明确的孔径分布和丰富的内部表面活性位点126, 127, 128。在催化系统中，MOFs的多孔框架和金属节点可以为金属物种提供均匀且稳定的锚定位点，有效抑制金属纳米颗粒的聚集，并实现对金属尺寸、分散性和空间分布的精确调控。因此，MOFs常被用来承载单原子、双金属或纳米级的金属活性位点，从而显著提高金属原子的利用率和催化稳定性。此外，MOFs中的有机配体和金属节点的组成具有高度可调性，可以通过合理的结构设计来定制它们的电子环境和局部化学性质，为金属活性中心与反应中间体之间的相互作用提供有利条件129, 130。Li等人[54]通过2,5-全氟烷基对苯二甲酰肼（PFTH）与三核铜簇前体（Cu3-O-Py）的缩合反应，成功构建了一种基于结晶三核铜簇的有机金属框架，命名为F-Cu3-OF（图10a）。在孔道中引入大量疏水性全氟烷基基团可以有效阻止高极性氢物种的进入，从而显著抑制竞争性的HER反应，并提高在铜活性位点附近不太极性的反应物（如酮酸）的富集和吸附概率。利用原位XAFS分析，作者发现原始的三核铜基团会发生可逆的重构，形成一个新的三核Cu(I)结构单元，在该单元中一个Cu(I)原子与同一三核单元内的其他两个Cu(I)原子以及两个吡唑配体中的两个氮原子配位（图10b）。当电压恢复到开路电压时，特征性的Cu–Cu配位特征基本消失，而Cu–N/Cu–O键合信号几乎完全恢复，表明F-Cu3-OF在电催化过程中经历了高度可逆的结构重构。为了进一步阐明三核铜单元在反应中的关键作用，还合成了无金属的有机框架（F-COF）和仅含有单核铜位点的共价有机框架（CuPor-F-COF）作为对照催化剂。电催化丙氨酸合成测试表明，F-COF仅显示氢气释放活性，没有检测到丙氨酸的形成，这明确证实了三核铜单元是丙氨酸生产的真正活性中心。相比之下，尽管CuPor-F-COF引入了金属位点，但其催化性能仍显著低于三核铜框架F-Cu3-OF（图10c），进一步证明了三核铜基团中相邻铜离子之间的协同作用在促进丙氨酸生成过程中起着关键作用。得益于疏水性微环境调节和三核铜簇的协同激活双重优势，该催化系统成功实现了从酮酸高效电催化合成多种α-氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸（图10d和10e）。法拉第效率在42–71%范围内，产率高达187–957 μmol cm?2 h?1，充分展示了基于三核金属簇的有机金属框架在复杂电催化C–N偶联反应中的独特优势和应用潜力。

他们的最显著的结构特征是高度有序且可设计的孔结构，以及开放的三维框架，这使得MOFs具有超高的比表面积、明确的孔径分布和丰富的内部表面活性位点126, 127, 128。在催化系统中，MOFs的多孔框架和金属节点可以为金属物种提供均匀且稳定的锚定位点，有效抑制金属纳米颗粒的聚集，并实现对金属尺寸、分散性和空间分布的精确调控。因此，MOFs常被用来承载单原子、双金属或纳米级的金属活性位点，从而显著提高金属原子的利用率和催化稳定性。此外，MOFs中的有机配体和金属节点的组成具有高度可调性，可以通过合理的结构设计来定制它们的电子环境和局部化学性质，为金属活性中心与反应中间体之间的相互作用提供有利条件129, 130。Li等人[54]通过2,5-全氟烷基对苯二甲酰肼（PFTH）与三核铜簇前体（Cu3-O-Py）的缩合反应，成功构建了一种基于结晶三核铜簇的有机金属框架，命名为F-Cu3-OF（图10a）。在孔道中引入大量疏水性全氟烷基基团可以有效阻止高极性氢物种的进入，从而显著抑制竞争性的HER反应，并提高在铜活性位点附近不太极性的反应物（如酮酸）的富集和吸附概率。利用原位XAFS分析，作者发现原始的三核铜基团会发生可逆的重构，形成一个新的三核Cu(I)结构单元，在该单元中一个Cu(I)原子与同一三核单元内的其他两个Cu(I)原子以及两个吡唑配体中的两个氮原子配位（图10b）。当电压恢复到开路电压时，特征性的Cu–Cu配位特征基本消失，而Cu–N/Cu–O键合信号几乎完全恢复，表明F-Cu3-OF在电催化过程中经历了高度可逆的结构重构。为了进一步阐明三核铜单元在反应中的关键作用，还合成了无金属的有机框架（F-COF）和仅含有单核铜位点的共价有机框架（CuPor-F-COF）作为对照催化剂。电催化丙氨酸合成测试表明，F-COF仅显示氢气释放活性，没有检测到丙氨酸的形成，这明确证实了三核铜单元是丙氨酸生产的真正活性中心。相比之下，尽管CuPor-F-COF引入了金属位点，但其催化性能仍显著低于三核铜框架F-Cu3-OF（图10c），进一步证明了三核铜基团中相邻铜离子之间的协同作用在促进丙氨酸生成过程中起着关键作用。得益于疏水性微环境调节和三核铜簇的协同激活双重优势，该催化系统此外，1412 cm?1处出现的C–N伸缩振动为目标产物丙氨酸的形成提供了直接证据[58]。原位拉曼光谱是一种基于非弹性散射的表征技术（图11c），它能够在电化学工作条件下同时获取催化剂结构演变和吸附中间体的信息，对晶体相、化学键和表面吸附物具有高灵敏度。如图11d所示，在-0.6 V（相对于RHE）下记录的CuO/C800的时间分辨原位拉曼光谱中，1176 cm?1处的振动带可以归因于*NH2物种的弯曲模式，表明形成了含氮的中间体。当反应时间延长到大约30分钟时，1717 cm?1处的C═N伸缩振动和1393 cm?1处的C–N伸缩振动的逐渐出现表明PA与*NH2结合形成了含C═N的中间体，这些中间体随后转化为丙氨酸[58]。原位拉曼和原位FTIR的结果相互印证，共同阐明了C–N耦合和产物形成的关键过程。

与用于识别吸附物种的振动光谱相比，原位DMS更适合实时监测反应过程中产生的挥发性或气态中间体（图11e），从而能够追踪反应路径并分析产物选择性。在研究不同催化剂生成NH2OH的能力时，原位DMS显示，在NO3?还原过程中，CuSn/C催化剂产生的NH2OH中间体的信号强度明显高于Cu/C和Sn/C（图11f），表明其更倾向于形成参与后续C–N耦合的关键含氮中间体，从而促进电催化氨基酸合成[42]。原位或准原位EPR技术主要用于捕获反应过程中产生的自由基物种，在涉及自由基介导的路径中尤为重要（图11g）。例如，在PO的电还原过程中，使用5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）作为自旋捕获剂进行了准原位EPR测量，以分析反应过程中形成的自由基（图11h）[87]。观察到一组六线分裂信号（用红色标出），这些信号可以明确归属于DMPO–C加合物。这一结果表明，在反应过程中，活性氢物种（*H）优先加到亚胺中间体的氮原子上，随后进一步还原生成胺类产物，从而为所提出的反应路径提供了基于自由基的直接证据。

除了上述用于直接检测反应中间体的原位光谱技术外，近年来出现的一类原位光学成像和信号映射方法为探究电催化反应过程提供了新的视角（图11i, 150, 152, 156, 157, 158, 159）。例如，原位偏振成像可以实时监测氢气泡的生成速率，以评估HER的竞争力；而原位荧光成像或原位反射-吸收成像能够动态可视化副产物（如亚硝酸盐和氨）以及关键中间体（如羟胺）的生成和空间分布。这些原位光学成像策略预计将为实时监测中间体行为和阐明电催化氨基酸合成机制提供更直观和全面的实验证据。

4.2. 反应机理研究中的理论和计算方法

与专注于探究反应过程中发生情况的原位表征技术不同，DFT计算可以提供原子级和电子尺度的洞察，以阐明反应的内在起源，从而为电催化系统的合理设计提供必要的理论支持[160, 161]。首先，DFT计算可以通过比较各种金属元素对关键反应物（如，，NO和α-酮酸）的吸附配置和吸附能量，对不同的元素和催化系统进行初步的理论筛选。这种方法可以快速评估它们在氮源活化、碳源吸附和活性氢调节方面的能力，从而为催化剂筛选和结构设计提供明确的指导。其次，DFT计算能够系统地分析反应物和关键中间体在催化表面的吸附和稳定行为，包括*NOx、*NH2和*NH2OH以及肟或亚胺型中间体。通过定量评估吸附能量、电荷转移和局部电子结构变化，DFT可以更深入地理解不同活性位点如何调节中间体稳定性并抑制竞争性副反应（如NH3的形成或氢的释放反应）。此外，基于获得的吸附结构和能量信息，DFT计算可以扩展到构建完整的反应路径和自由能剖面，从而阐明各个基本步骤的热力学可行性和动力学障碍，并识别决定速率的步骤。

为了筛选适合电催化氨基酸合成的催化元素，Sun等人[162]系统地评估了GAO在各种金属表面上的氢吸附自由能与首次氢化步骤的自由能之间的差异（ΔG*H ? ΔGfirst hydrogenation）（图12a）。负值表明GAO的氢化在热力学上不如*H的吸附有利，意味着更倾向于竞争HER；而正值则表明甘氧酸肟的氢化在热力学上比HER更有优势。结果表明，除了Ag之外的所有研究金属表面都显示出负值，表明这些金属上存在明显的HER竞争。相比之下，Ag显示出独特的热力学优势，有效地促进了GAO的氢化同时抑制了竞争的氢释放过程。在氢化步骤之外，研究人员进一步通过计算甘氨酸在不同金属表面的脱附能量来分析甘氨酸形成的关键产物释放过程（图12b）。一般来说，较高的脱附能量意味着产物从催化剂表面的脱附更加困难，可能会阻碍目标产物的连续形成。计算显示，Ag(111)表面表现出最低的甘氨酸脱附能量（0.37 eV），远低于其他金属表面，表明甘氨酸分子可以从Ag表面更容易释放。结合氢化竞争和产物脱附行为的理论分析，确定Ag是更适合电催化氨基酸合成的催化元素。实验结果也证实了Ag在所研究的金属中具有最佳的催化性能，与DFT预测结果非常吻合。

为了进一步阐明adFe位点和氧空位（OVs）在adFe–TiOx/Ti系统中的电催化反应机制，Zhu等人[109]进行了系统的DFT计算。首先，比较了和GA在adFe–TiOx、TiOx和TiO2表面的吸附能量。如图12c所示，与TiOx（-2.41 eV）和TiO2（1.34 eV）相比，adFe–TiOx对的吸附能量更为适中（-1.03 eV）。对于GA，adFe–TiOx上的吸附能量为-1.77 eV，同样介于TiOx（-2.34 eV）和TiO2（-0.53 eV）之间（图12d）。这些结果表明，和GA在TiO2表面上都难以有效吸附，从而限制了它们在TiO2上的后续还原反应。尽管氧空位的引入可以显著增强和GA的吸附，但过强的吸附通常不利于后续反应步骤的顺利进行。相反，在TiOx上锚定单个Fe原子位点有效地将和GA的吸附强度调整到一个更合理的能量范围内，从而为它们的连续激活和还原提供了有利条件。

从DFT计算得出的电荷密度差异图可以直观地揭示吸附系统内的电子重新分布和转移行为。为了进一步证实IL@Bi系统的反应机制，Wang等人[81]使用电荷密度差异分析对界面电子结构进行了深入研究。结果表明，虽然只有约0.09 e?从Bi表面转移到GAO，但在IL@Bi系统中总电荷转移显著更高，为0.32 e?，清楚地表明离子液体在界面电子调制中起着关键作用，为GAO提供了更充足的电子供应，并显著提高了电子转移效率（图12e和12f）。此外，Emmim·与GAO之间形成的氢键相互作用有效地缩短了它们的空间距离，进一步促进了从Emmim·到GAO的方向性电子转移（图12g和12h），这为加速反应动力学提供了强有力的理论支持。

除了筛选理想催化剂和评估反应物或关键中间体的吸附能量外，理论计算还可以系统地构建描述整个反应过程的自由能图。基于DFT计算，Tan等人[58]建立了Cu/Cu2O催化系统上电催化丙氨酸合成的完整吉布斯自由能剖面（图12i）。对完整自由能图的比较分析不仅可以直接评估与各个基本步骤相关的能量障碍，还可以识别反应过程中能量最不利的步骤，即决定速率的步骤（RDS），以及控制整体选择性和效率的关键反应阶段。与仅关注单个中间体吸附能量或局部反应障碍的分析相比，自由能图提供了多步骤级联反应能量演变的整体视图，为理解中间体的形成、转化和迁移提供了系统的视角。同时，这些分析为降低能量障碍、优化反应路径以及通过有针对性地调节关键步骤来最终提高催化性能提供了明确的理论指导。

总体而言，电催化氨基酸合成和其他复杂C–N耦合反应的机理研究严重依赖于原位/准原位表征技术和理论计算的协同整合。原位表征方法实验上揭示了催化剂的结构演变以及关键反应中间体的形成和转化，而计算模拟（如DFT）则阐明了反应路径、能量障碍分布和原子及电子尺度上的决定速率的步骤。这两种方法相互印证和补充，为深入理解催化反应的本质提供了关键支持。然而，预计机理研究将在两个主要方向上进一步发展。一方面，需要开发具有更高时空分辨率和化学选择性的原位表征技术——例如多模态耦合原位光谱学和原位成像方法——以捕获瞬态中间体并在实际工作条件下识别真正的活性位点。另一方面，理论计算方法需要通过更真实地结合电极-电解质界面、电场效应和动力学过程到计算模型中，并整合机器学习和其他数据驱动的方法来进行进一步扩展和精细化。这些努力将为复杂电催化系统的合理设计提供更加系统和前瞻性的机制指导。

5. 电催化反应的工程设计与优化
在涉及多种反应物的复杂电催化氨基酸合成系统中，反应装置不仅作为电化学反应的物理平台，还在决定反应动力学、质量传输行为、界面反应环境和产物分布方面起着关键的调节作用。合理的电解槽设计可以有效缩短反应物扩散路径，增加局部反应物浓度，稳定反应界面，并抑制竞争性副反应，从而实现高电流密度下的高选择性操作[163]。目前，在电催化研究中最常用的反应配置包括H型电化学电池、流动电池和膜电极组件（MEA）系统[113, 164, 165]。H型电池结构简单，操作方便，能够有效分离阴极和阳极环境，防止产物交叉污染，因此非常适合用于研究内在催化活性、反应路径和机制，仍然是实验室规模基础研究中最常用的配置（图13a）[62]。然而，由于H型电池中的质量传输主要依赖于自然扩散，反应物供应受到限制，操作通常局限于相对较低的电流密度，不适合高通量合成。相比之下，流动电池通过引入连续流动的电解质或反应物，能够主动调节界面质量传输，从而显著缩短扩散距离并增加局部反应物浓度，允许在更高的电流密度下稳定操作（图13b）[87]。MEA系统将催化层、电解质膜和电极集成到一个紧凑的架构中，最小化了欧姆电阻和质量传输损失，代表了最接近工业实现的电解槽配置。除了实现超高电流密度操作外，MEA架构还允许通过离子交换膜有效分离阳极和阴极反应，为复杂多步骤反应的模块化和连续操作提供了可能性。

尽管H型电池、流动电池和MEA系统在质量传输增强、可实现电流密度和可扩展性方面各具优势，但单一反应器配置往往不足以同时满足高度复杂的电催化氨基酸合成中所有反应步骤的最佳要求[54, 80, 81]。因此，将所有反应步骤强制发生在同一个反应器中可能导致中间体浓度有限、副反应加剧以及整体能量效率和选择性降低。因此，这个复杂的反应网络可以分解为多个独立但协同操作的反应单元——例如碳源转化、氮源转化和随后的C-N偶联——从而缩短整体反应路径，并在每个阶段实现中间体的定向富集。例如，Li等人[87]提出了一种空间分离的两步流动反应器策略（图13c）。在第一个反应器中，NO和丙酮酸在Ag电极上共还原生成PO。在第二个反应器中，高纯度的PO进一步还原生成丙氨酸。在100 mA cm?2的电流密度下，该系统实现了70%的总转化效率（FE），产出了3.85克纯度超过98%的丙氨酸。

尽管直接从N2和CO2电催化合成甘氨酸仍然具有挑战性，但基于反应过程分离的电解槽设计为这一目标提供了一条可行的途径。Kong等人[38]提出了一种由三个独立但顺序连接的反应模块组成的多阶段电合成系统，即CO2到GA、空气到NH2OH和GAO到甘氨酸模块（图13d）。在CO2到GA模块中，两个电催化转化过程集成在一个反应器内，利用Pb催化剂对CO2的高选择性将其还原为OA，然后定向转化为GA。在空气到NH2OH模块中，首先通过Li介导的电化学氮固定过程产生高纯度的NH3，然后与浓NH3和高纯度H2O2反应生成NH2OH。最后，在GAO到甘氨酸模块中，NH2OH与GA结合形成肟中间体，然后在Cu箔电极上选择性还原生成目标产物甘氨酸。通过逐步引入高纯度的中间体，这种分离的反应系统有效地避免了多步骤反应之间的相互干扰，分别实现了高达91.7%的碳选择性和98.7%的氮选择性，最终生产出了5.2435克高纯度固体甘氨酸，分离效率达到98.4%。

考虑到实际的工业需求和各种氨基酸的溶解度差异，溶解度仍然是电催化氨基酸合成中的一个主要挑战。氨基酸的溶解度主要受其氨基（–NH2）和羧基（–COOH）结构以及R基团性质的影响。作为两性分子，氨基酸能够在水中形成氢键，这通常使它们具有良好的溶解度，特别是对于那些具有极性或带电R基团的氨基酸。然而，具有疏水侧链或更复杂结构的氨基酸的溶解度往往相对较低，这对高浓度生产构成了重大挑战。尽管目前的研究主要集中在水相电合成上，但对于溶解度较差的氨基酸，使用有机溶剂或共溶剂，或开发适合疏水氨基酸的无溶剂系统可能会解决这个问题。此外，优化电解槽的设计并采用不同的反应物传输机制（如流动电解槽或MEA）可以进一步提高氨基酸的溶解度和反应效率，为克服这一瓶颈提供新的见解。

尽管在实验室规模上电催化氨基酸合成取得了显著进展，但与传统工业方法之间仍存在显著差距。传统的工业方法（如发酵和化学合成）已经建立了相对成熟的过程和生产规模。然而，这些传统方法面临成本高、反应条件苛刻以及产品纯度和选择性不足等挑战。相比之下，电催化氨基酸合成在反应选择性和环境可持续性方面具有明显优势，但许多瓶颈阻碍了其向工业规模生产的转变。电催化氨基酸合成与工业应用之间的差距源于几个因素：首先，电流密度低和反应速率慢，限制了反应效率和生产能力；其次，复杂的产品分离和纯化过程使得获得高纯度产品变得困难；第三，电解槽的稳定性和催化剂的耐久性不足以支持长期高效运行。这些瓶颈使得电催化氨基酸合成难以在高质量生产和大规模应用中与传统方法竞争。为了弥合这一差距，需要在多个领域进行工程优化。改进反应器设计和工程策略将是关键。例如，从实验室规模向千瓦级或更大功率的电解系统过渡，并实施用于连续和可扩展生产的电解槽堆栈配置将显著提高产率和反应效率。同时，必须解决电极稳定性、质量传输均匀性和热管理等问题，以确保电催化氨基酸合成的工业应用。此外，开发低成本、高效率的提取工艺也将有助于提高该技术的整体经济可行性。通过解决这些工程和设计挑战，电催化氨基酸合成有望实现大规模生产并在工业应用中取得重大突破。

6. 电合成产物的检测、鉴定和定量
在电催化氨基酸合成系统中，产物鉴定和定量分析是评估催化性能、验证反应路径和支持机理研究的关键步骤。由于涉及多种反应物、连续的中间体转化以及各种副反应的共存，产物谱通常非常复杂，不仅包括目标氨基酸，还包括氨、羧酸、醇和其他含氮副产物[57, 82, 90]。因此，建立可靠、准确和选择性的分析方法对于正确确定转化效率（FE）、产率和选择性以及正确解释实验结果至关重要。目前，在电催化氨基酸合成中最常用的产物分析技术包括核磁共振（NMR）、高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC-MS）、紫外-可见（UV-vis）光谱法和气相色谱（GC）。每种方法在可检测物种、灵敏度和适用场景方面都有其独特优势，它们通常结合使用以实现复杂产物系统的全面表征。

在电催化氨基酸合成中，反应产物通常存在于含有高浓度盐的水性电解质中，并且常常伴有未反应的底物（例如α-酮酸）、反应中间体（例如肟）和各种副产物。因此，准确鉴定和定量电解质中的氨基酸通常需要使用多种分析技术。目前最常用的方法包括1H NMR、HPLC和LC-MS。其中，1H NMR在该领域用于定量分析最为广泛（图14a）。由于积分NMR信号与核的数量成正比，可以通过引入内标来实现绝对定量，而无需建立响应因子或校准曲线。此外，NMR对水系统和高盐电解质具有很好的耐受性，可以直接分析电解质，从而避免复杂的分离或衍生化程序。此外，单个NMR谱可以同时鉴定和定量多种反应物、副产物和目标氨基酸。因此，这种技术广泛用于确定产物产率和计算转化效率（FE）。基于这种方法，Li等人[87]使用1H NMR光谱确认了甘氨酸的成功电合成，并同时验证了反应物丙酮酸和关键中间体PO的存在（图14b），所得甘氨酸的纯度达到98%，突显了该方法在产物鉴定和纯度评估方面的优势。

HPLC具有出色的分离能力和相对较高的检测灵敏度（通常在μM水平），能够有效分离复杂反应系统中的多种有机物种。因此，它常用于辅助定量或反应产物的分离验证。然而，大多数氨基酸缺乏强烈的紫外吸收，传统的HPLC-UV检测通常需要衍生化，这增加了样品制备步骤并可能引入额外的定量误差。此外，电化学系统中电解质的高浓度会影响柱子的使用寿命和基线稳定性，因此在分析前需要稀释样品或脱盐。因此，HPLC通常不作为该领域的主要定量方法；相反，它更常用于在复杂反应系统中定量小分子有机酸副产物（图14c）。例如，Ma等人[39]通过建立校准曲线，系统地定量了丙酮酸（图14d）、乙酸和乳酸等副产物，所有这些方法都表现出良好的线性，并为副反应评估提供了可靠的证据。LC-MS主要用于产品鉴定和痕量级检测。其高灵敏度（可低至nM水平甚至更低）使得能够检测到低浓度的产物或中间体，而分子离子峰和碎片化模式提供了可靠的结构证据。因此，LC-MS在同位素标记实验和机理研究中发挥着重要作用。然而，对于含有氨基酸的电解质，样品通常需要衍生化以改善检测性能，这增加了分析过程的复杂性。对于水溶性氨基酸，衍生化可能会改变其化学性质，并可能降低定量准确性，同时也会增加操作复杂性和分析成本。因此，在该领域，LC-MS通常不作为主要定量方法，而更多地用于产品确认和补充分析。

UV–vis光谱法主要用于快速定量特定的无机或小分子中间体，通常依赖于比色反应来选择性检测目标物种。这种方法简单、成本效益高，适用于反应监测和快速筛选——例如，用于追踪含氮物种如NH3、NH2OH等的浓度变化（图14e和14f）[77]。GC主要用于定量反应过程中产生的气体或挥发性产物，如H2、CO、NO和N2O（图14g）。在电催化氨基酸合成系统中，GC常用于定量由HER竞争产生的H2；结合校准曲线，它可以评估催化剂对HER的选择性（图14h）[39]。

7. 电催化氨基酸合成的技术经济分析和生命周期评估
在明确了电催化氨基酸合成系统中的反应路径、催化性能和产品分析方法后，进一步评估经济可行性和环境可持续性是将该技术从实验室研究推向实际应用的关键步骤。尽管最近在催化剂设计、反应机理阐明和反应器优化方面取得了显著进展，但电化学合成氨基酸仍面临实际限制，如能耗、原材料成本、设备投资和产品分离费用。此外，不同的反应路线在环境影响方面存在很大差异，包括温室气体排放、能源利用效率和资源消耗，因此仅依赖电化学性能指标来评估技术优势是不够的。因此，需要从技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）的角度进行系统分析。通过量化电能消耗、催化剂和电解槽成本、原材料利用效率以及产品分离和纯化成本，并结合整个生命周期的碳足迹和环境影响评估，可以提供更客观和全面的评估，从而指导反应系统和工艺条件的优化。

为了评估使用OA作为碳源和N2作为氮源的电合成甘氨酸的经济可行性，Wang等人[81]基于已建立的电催化TEA模型进行了系统的TEA分析。在此分析中，甘氨酸的生产成本被系统地分为三个主要部分——材料成本、设备资本支出和运营成本——其中原材料费用和电力消耗是总成本的主要贡献者。结果表明，当使用N2作为氮源时，电合成甘氨酸的综合生产成本约为每吨1,160.80美元，显著低于当前市场上甘氨酸的价格（约每吨2,060.44美元），显示出强大的成本竞争力。此外，当使用等离子体处理的空气作为氮源时，甘氨酸的生产成本可以进一步降低到每吨约819.59美元，突显了基于空气的氮源在降低原材料成本和提高整体经济可行性方面的巨大潜力（图15a）。此外，该研究还系统地考察了可再生电价波动对生产成本的影响。即使在不利的价格0.18美元/千瓦时下，电合成甘氨酸在指定的反应参数范围内仍然具有经济可行性（图15b）。总体而言，这项TEA表明，电催化甘氨酸合成不仅在技术上是可行的，而且在经济上也具有竞争力。随着电催化效率的进一步提高以及原料范围扩展到更丰富、低成本的来源（如CO2和空气），电合成甘氨酸有望成为更具成本效益和可持续性的生产途径。

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图15. 氨基酸电合成的技术经济分析和生命周期评估。(a) 从草酸+NaNO3和草酸+等离子体激活空气电合成甘氨酸的总成本。(b) FEglycine和可再生电价对甘氨酸电合成制造成本的影响。经参考文献[81]许可复制。版权2025，Springer Nature。(c) 在0.03美元/千瓦时的电价下，集成热催化-等离子体-电催化策略和新兴热催化丙氨酸合成方法的TEA。(d) 在0.1美元/千瓦时的电价下，集成热催化-等离子体-电催化策略和新兴热催化丙氨酸合成方法的TEA。(e) 集成热催化-等离子体-电催化策略与一步热催化法合成丙氨酸的CO2排放比较。经参考文献[39]许可复制。版权2025，Wiley-VCH GmbH。

为了评估另一种路线——丙氨酸的电合成——研究人员对热-等离子体-电化学耦合系统进行了系统的TEA分析，以传统的单步热催化作为参考模型[39]。分析显示，与甘氨酸路线类似，该系统的总成本主要由原材料费用和电力消耗主导。在0.03美元/千瓦时的电价下，这种多能量场耦合系统可以实现每年约7.86 × 10^7美元的净利润，显著高于传统热催化路线所实现的6.82 × 10^6美元，显示出明显的经济回报优势和潜在的市场竞争力（图15c）。进一步的敏感性分析表明，即使电价上升到0.10美元/千瓦时，耦合系统仍然有利可图，而在相同条件下，热催化过程在经济上变得不可行（图15d）。关于环境影响，研究人员使用OpenLCA软件平台对该耦合系统进行了LCA，并量化了其温室气体排放。结果表明，热-等离子体-电化学耦合丙氨酸合成途径的碳强度约为3.7千克CO2·千克^-1（丙氨酸），与传统热化学合成（143.7千克CO2·千克^-1）相比减少了一个数量级（图15e）。

然而，目前的经济评估仍然处于初步阶段，并存在明显的局限性。一方面，现有的分析主要集中在少数代表性氨基酸上，如甘氨酸和丙氨酸，未能充分反映氨基酸家族的结构、功能和应用多样性。氨基酸之间的市场价值、纯度要求和下游应用差异可能会显著影响经济回报。另一方面，许多当前的TEA基于理想化或实验室规模的参数，未能充分考虑原材料来源、能源消耗分解、分离和纯化成本以及放大过程中的隐藏费用，导致对实际生产成本的描述不全面。未来的经济评估需要在更系统的框架内进行：首先，纳入多种碳和氮源（例如CO2、NOx、空气、生物质衍生分子）进行交叉比较，以明确原料选择对整体经济性能的影响；其次，对各种氨基酸进行差异化的经济和生命周期分析，整合它们的功能属性和应用价值，建立更现实和有指导意义的评估系统。通过更全面和多维度的经济分析，可以更可靠地指导电催化氨基酸合成从概念验证到大规模应用的过程。

8. 结论与展望
本综述系统地总结和评估了电催化C–N偶联用于氨基酸合成的最新进展，重点关注了三种代表性的合成途径。同时，还全面概述了各种催化剂设计策略（包括单原子催化剂、双金属催化剂、金属氧化物催化剂和金属-有机框架）如何增强反应活性和选择性。从机理角度来看，还讨论了原位/操作表征技术和DFT计算的应用，为理解复杂的多步C–N偶联反应提供了坚实的实验和理论支持。此外，通过综合讨论反应器工程、产品分析方法和TEA/LCA评估，进一步阐明了催化剂性能、工艺设计和实际应用潜力之间的内在联系。尽管在构建反应路径和提高性能方面取得了显著进展，但在催化剂多样性、目标产品扩展、可扩展性和经济可行性方面仍存在挑战。这些问题以及未来的前景将在下文中讨论（图16）。

(1) 在一些当前的电催化合成路线中，反应物的成本甚至超过了目标氨基酸的成本，直接限制了这些过程的经济可行性。因此，开发低成本原料和构建能耗更低、条件更温和的反应系统是实现高价值氨基酸高效电合成的前提。根据TEA，氨基酸的生产成本高度依赖于关键的操作参数，如电价、电流密度和FE，而原材料和电力消耗通常占总成本的大部分。这意味着，除了提高电催化活性和选择性以减少每单位产品的能耗外，在源头引入经济上有利的反应物是提高整体经济效率的有效方法。在这方面，来自工业废气的NOx或惰性N2通过等离子体或其他活化方法生成的活性氮物种，以及使用来自空气或工业排放的CO2作为碳源，为构建低成本和可持续的氨基酸电合成路线提供了重要机会[166]。此外，低价值的碳源，如生物质衍生的有机酸或废弃塑料的降解产物，也有进一步开发和利用的潜力。这些策略有望显著降低原材料成本，同时提高氨基酸电合成的整体经济竞争力。然而，应该注意的是，引入低成本原料通常会带来多重挑战，包括反应物的化学惰性增加、杂质谱复杂化和反应路径多样化。这些问题对催化剂在活性位点调控、反应选择性控制和抗中毒能力方面提出了更高的要求。特别是对于同时含有氨基和羧基官能团的复杂结构氨基酸，从简单的低成本分子高效构建氨基酸骨架将具有很大挑战性。因此，开发能够实现这些非理想原料高效和可控电催化转化的策略是未来氨基酸电合成面临的关键挑战。

(2) 从反应物选择和反应路径构建的角度来看，当前关于电催化氨基酸合成的研究几乎仅使用α-酮酸作为核心碳源。因此，反应机制和产品类型主要限于α-氨基酸。相比之下，关于非α-酮酸底物（如β-酮酸和γ-酮酸）的电催化转化的研究非常有限，相应的反应路径和机制尚未得到系统探索。扩展反应物系统以包括β-酮酸或γ-酮酸与含氮物种之间的电催化C–N偶联，可以实现β-氨基酸或γ-氨基酸的直接电合成，从而克服当前电催化氨基酸合成在分子骨架层面的结构限制。此外，氨基酸通常含有手性中心，而迄今为止报道的大多数电催化系统主要产生外消旋产物。因此，在电催化条件下实现手性中心的可控构建或不对称诱导是未来研究的重要方向。引入手性配体修饰的催化剂、构建手性电极界面或施加外部手性场等策略可能有助于在C–N键形成过程中实现立体选择性控制，从而促进具有确定构型的氨基酸的电合成。

(3) 电催化剂设计仍有很大的改进空间。总体而言，现有的催化剂系统类型仍然相对有限，难以完全满足多步骤级联反应对多样化和协同活性位点的需求。未来的研究可以在几个方向上取得进展。首先，p-区准金属和非金属催化剂系统值得系统探索。这些元素的p轨道主导的电子结构可以促进定向吸附，并有助于稳定关键的含氮和含碳中间体，从而可能抑制氮中间体过度还原为NH3，优化C–N键形成的反应条件。掺杂了非金属元素（如P、S和B）的碳材料以及二维非金属材料（例如石墨烯氮化物）可以为构建低金属负载甚至无金属的高选择性催化系统提供新的途径。对于氨基酸电合成而言，催化剂不仅需要促进C–N键的形成，还需要保持羧基官能团的稳定性，以防止不必要的副反应（如脱羧或过度还原）。因此，能够协调调控羧基、羰基和含氮中间体的催化位点的合理设计对于提高目标氨基酸的选择性至关重要。其次，多位点和多功能协同催化剂可能成为未来设计的核心焦点。氨基酸电合成通常涉及多个反应步骤，包括氮物种的还原、酮酸的活化、C–N偶联以及随后的氢化，单个活性位点无法同时优化所有步骤。构建具有空间或电子特性不同但在界面层面相互协作的多位点催化剂可能会降低整体反应障碍，并显著提高目标氨基酸的选择性。在这方面，具有多组分协同效应的高熵催化剂提供了高度可调的电子结构和丰富的活性位点分布，从而为复杂反应路径中不同中间体的选择性调控提供了新的机会。同时，低维催化剂（如单原子和双原子催化剂、原子级薄层以及二维异质结构）能够最大化原子利用率和界面效应，在精细调节反应路径和增强内在催化活性方面表现出独特优势。总体而言，这些新兴的催化剂设计策略有望为多步C–N偶联反应建立更加灵活、高效和可扩展的催化平台，展现出广阔的发展前景和实际应用潜力。此外，随着反应系统和催化剂架构变得越来越复杂，人工智能（AI）辅助的催化剂设计和高通量筛选预计将在电催化氨基酸合成中发挥越来越重要的作用。通过将机器学习算法与密度泛函理论（DFT）计算和实验数据库相结合，可以快速识别催化剂组成、结构描述符与催化性能之间的关联，从而显著缩短催化剂发现和优化周期。结合自动化的高通量实验平台，这些方法有望实现从理论预测到实验验证的闭环优化，加速高性能催化剂的发现和规模化应用，并为复杂C–N偶联反应系统的合理设计提供新的范式。(4) 反应装置设计和工程策略是将电催化氨基酸合成从实验室研究推向工业应用的关键步骤。动态电化学技术（如脉冲电解、交流电位或阶梯电位）可以在时间尺度上调节电子和质子的供应速率，实现对关键中间体的生成、稳定和转化的精确控制。例如，脉冲电解可以抑制过度氢化和HER（HER：氢 evolution），延长活性中间体的寿命，并促进C–N键的形成；此外，交替氧化-还原电位策略可以实现氮源的逐步活化和转化，为N2或CO2等惰性分子的高效利用提供新的方法。扩大生产规模仍然是一个关键挑战。未来的研究应逐步从实验室规模系统发展到千瓦级电解槽及以上，通过堆叠电池实现连续的大规模操作。为此，电极稳定性和耐久性、质量传输均匀性、热管理以及产品分离和纯化效率等工程挑战将尤为重要。此外，氨基酸通常具有高水溶性和结构相似性，这对下游纯化提出了挑战。因此，开发高效且低能耗的分离和纯化技术（如膜分离、电渗析或选择性吸附）对于实现氨基酸的可扩展电合成同样重要。

图16. 氨基酸电合成的挑战与未来前景。

总之，尽管在反应路径、催化剂系统和工艺放大方面仍存在许多挑战，但高效电合成氨基酸展现了广泛的发展潜力。未来研究的核心目标可以概括为以下几点：(i) 扩大广泛可用的低成本碳和氮源，以显著降低反应物成本并提高整体经济可行性；(ii) 克服目前对α-氨基酸的依赖，多样化电合成氨基酸的类型和结构；(iii) 开发兼具高活性和高选择性的催化剂，以优化反应动力学并提高产品价值；(iv) 构建高效、稳定且可扩展的千瓦级工业电解槽，为连续和大规模氨基酸电合成奠定工程基础。这些研究方向的协同进步对于促进氨基酸电合成技术的可持续发展、性能提升和实际应用至关重要。

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