摘要：L-苯丙氨酸（L-Phe）是人体必需的氨基酸，广泛应用于食品、药物、营养保健品、化妆品以及饲料添加剂等领域。与传统的合成方法相比，生物合成L-Phe具有较低的环境污染，但依然面临反应时间长、产率低等问题，因此亟需寻找一种高效、绿色且低成本的合成方法。

研究背景

L-苯丙氨酸（L-Phe）是人体必需的氨基酸，广泛应用于食品、药物、营养保健品、化妆品以及饲料添加剂等领域。与传统的合成方法相比，生物合成L-Phe具有较低的环境污染，但依然面临反应时间长、产率低等问题，因此亟需寻找一种高效、绿色且低成本的合成方法。

近年来，光电化学（PEC）合成技术被认为是一个有前景的解决方案，通过直接利用太阳能将废弃的CO₂和氮源转化为有价值的化学品。光电化学合成不仅能利用丰富的太阳能，还能够在温和的条件下进行反应。相比传统的化学合成方法，PEC合成具有明显的环保优势，但在高选择性合成L-Phe时，由于光阴极表面活性位点的设计以及反应路径的控制，仍然存在着较大的挑战。

成果简介

针对这一问题，湖南大学化学化工学院郑建云课题组、香港城市大学Xin Wang、澳大利亚核科学和技术组织Bernt Johannessen以及佛山仙湖实验室蒋三平教授等人携手在Science Advances期刊上发表了题为“Using waste CO2 to produce essential amino acids for humans: An efficient photoelectrochemical route”的最新论文。

该团队设计并制备了层次化的Si基光阴极，通过光电化学耦合废弃CO₂和硝基苯乙烷成功实现了L-Phe的合成。在低施加电压和1个太阳光照条件下，该系统达到了37.5 μg·hour⁻¹·cm⁻²的高产率，并取得了21.2%的法拉第效率。

研究人员利用CuO-TiO₂-C复合物材料，形成了内部的内建电场，并构建了高效的导电通道，促进了电子的注入，从而显著提高了L-Phe合成的效率。该研究不仅突破了传统合成L-Phe的方法，也为光电化学转化废弃资源提供了新的思路，展现了光电化学合成氨基酸的巨大潜力。

研究亮点

（1）实验首次通过光电化学方法将废弃CO₂和硝基苯乙烷耦合，合成L-苯丙氨酸（L-Phe），在1个太阳光照条件下实现了高产率和较好的法拉第效率。

（2）实验通过设计层次化Si基光阴极，利用CuO-TiO₂-C混合物催化剂促进电子注入，提高了反应效率。层次化结构创建的内建电场及导电通道有效增强了Cu和Ti位点对CO₂和硝基苯乙烷的吸附和激活，协同促进了L-Phe的合成。

（3）实验结果表明，采用该光阴极系统时，L-Phe的合成产率为37.5 μg·hour⁻¹·cm⁻²，法拉第效率达到21.2%，表现出较高的转化效率。

图1. 用于PEC L-Phe合成的层次化Si基光阴极的制备与表征。

图2. 在1个太阳光照条件下CTC/TiO₂/Si的L-Phe合成PEC性能。

图3. CTC/TiO₂/Si的表面电势与内部电场分析。

图5. 在TiO₂ (101)表面的L-Phe合成DFT计算研究。

结论展望

总之，本研究报告了一种层次化Si基光阴极，通过耦合CO₂和硝基苯乙烷实现高效的光电化学L-Phe合成。我们证明了该光阴极由CuO-TiO₂-C共催化剂、非晶TiO₂保护层和n+p-Si光吸收层组成，在低偏压和1个太阳光照条件下，成功实现了37.5 μg·hour⁻¹·cm⁻²的高产率和21.2%的显著法拉第效率。

在该光阴极中，n+p结的内建电场调节了电荷载流子动力学，获得了良好的电荷载流子分离和传输，并且CuO-TiO₂-C共催化剂的多层活性位点协同催化行为成功实现了CO₂和硝基苯乙烷的C-N耦合。本研究不仅为CO₂和含氮有机分子的共还原合成有价值的氨基酸开辟了一条绿色途径，还扩展了光电化学技术在太阳能化学转化中的应用范围。

文献信息

Xiaoran Zhang et al. ,Using waste CO2 to produce essential amino acids for humans: An efficient photoelectrochemical route.Sci. Adv.11,eadr8651(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr8651

来源：华算科技