单原子钌促进硫化镉光催化生物质衍生酸制备氨基酸

众所周知，氨基酸是动物营养所需的蛋白质的关键组成部分，也是生物体的组成部分之一，它广泛应用于制药、食品、农业和聚合物合成方面。目前氨基酸的合成仍然以生物发酵为主，这些过程存在着耗时长、产物难以分离以及需要严格的无菌条件等缺点。因此，人们研究了通过各种易得的底物化学合成氨基酸的途径。然而，传统的化学催化合成氨基酸的方法（即Strecker和Bucherer-Bergs合成）采用剧毒的氢氰酸作为氮源，而且还以不可再生的石化资源作为原料。这些问题促使人们开发更高效的催化剂来实现温和条件下从可再生资源中可持续地生产氨基酸。木质生物质是地球上丰富和可再生的碳源，其拥有替代化石燃料用于生产各种高附加值的化学品的潜力。例如，多种羟基酸（如乳酸、乙醇酸、苹果酸、苯乙酸）可以有效地从木质生物质中获得，它们是工业生产氨基酸的最有希望的底物之一。目前，典型的热催化从生物质合成氨基酸的方法需要高温高压的条件、以氢气为氢源，且原子经济性不高。最近有研究者提出了一种新的生物质增值方法——使用α-羟基酸在温和条件下通过可见光催化胺化为氨基酸，但只能获得较低的催化效率。因此，开发高效的催化系统使生物质衍生的α-羟基酸在温和条件下胺化成相应的氨基酸是有意义且充满挑战的。

图1. 利用乳酸生产丙氨酸的现状

南京林业大学陈祖鹏（点击查看介绍）团队通过简单的浸渍还原法在超薄硫化镉纳米片上引入了不同负载量的钌单原子（Ru₁/CdS）。在可见光照射的温和条件下，所制备的Ru₁/CdS可以通过生物质衍生的羟基酸和氨制备氨基酸。通过对金属负载量、反应时间、反应温度等反应条件进行调控优化，最终得到了26.0 mol_Ala•g_Ru^-1•h^-1的最大丙氨酸形生成速率，相同条件下，比Ru纳米颗粒对应物（Ru_NP/CdS）和传统热催化过程分别高1.7倍和两个数量级。此外，Ru₁/CdS表现出高重复使用性，并可适用于多种羟基酸底物。综合光谱分析和密度泛函理论计算，Ru₁/CdS的高性能归因于其促进了电荷分离和乳酸中α-羟基中的O-H键解离。原位核磁共振进一步推断出Ru₁/CdS对乳酸中的CH-OH和CH₃-CH-OH结构具有独特的"双重活化"机制，可显著加速其对丙氨酸的光催化胺化作用。

图2. Ru₁/CdS光催化乳酸生产丙氨酸

这一成果近期发表于Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是南京林业大学硕士研究生栗武林、中国石油大学博士研究生郑秀辉和华东师范大学博士研究生徐贝贝。

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Atomic Ruthenium-Promoted Cadmium Sulfide for Photocatalytic Production of Amino Acids from Biomass Derivatives

Wulin Li, Xiuhui Zheng, Bei-Bei Xu, Yue Yang, Yifei Zhang, Lingchao Cai, Zhu-Jun Wang, Ye-Feng Yao, Bing Nan, Lina Li, Xue Lu Wang, Xiang Feng, Markus Antonietti, Zupeng Chen

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202320014

课题组介绍

陈祖鹏，教授，博士生导师，南京林业大学化工学院林产化工系主任（国家级重点学科，双一流A+建设学科）。目前主要从事多相催化剂设计开发和生物质定向催化转化的应用基础研究工作。曾获得德国马普学会博士生奖学金、德国洪堡学者、江苏省特聘教授。已在 Nature Nanotechnology, Nature Communications, Chemical Reviews, National Science Review, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, ACS Catalysis, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Advanced Science, Applied Catalysis B等国际 SCI 论文 96 篇，封面文章 14 篇，ESI 高被引论文 13 篇。其中第一作者或通讯作者 45 篇，论文被引>7500（H-index 38）。担任中科院一区期刊J. Energy Chem.、Chin. Chem. Lett.、Rare Metals等9个学术期刊编委或青年编委。研究工作得到专业期刊或新闻媒体广泛报道如，Nature, Nature Catalysis, ETH News, 美国化学会Chemical & Engineering News、美国科学促进会EurekAlert、科学网、南京日版、金陵晚报、中国江苏网等。

结合个人研究背景和南京林业大学的研究特色，课题组的研究内容将集中于：

• 高效多相催化剂的设计合成

• 生物质催化转化：木质素选择转化、生物质能源与化学品高值化、生物质碳的制备与利用

• 光电催化、单原子催化

• 选择性加氢和氧化

• CO₂催化制备高附加值化合物

招聘合作启事

因课题发展需要，南京林业大学陈祖鹏课题组现诚招副教授、博士后、博士、硕士，欢迎具有化学、化工、材料背景，对纳米材料、多相催化、生物质催化转化、光（电）催化感兴趣的有志之士加入研究团队。

同时欢迎有兴趣的同行沟通交流，加强合作。

感兴趣者可邮件联系：czp@njfu.edu.cn

课题组网页：

https://www.x-mol.com/groups/Chen_Zupeng