犹他大学罗龙教授课题组近年来工作概览

罗龙教授简介

罗龙，现任美国犹他大学化学学院副教授，博士生导师。主要从事电化学有机合成、气体传感器以及光催化。罗龙教授2009年本科毕业于北京航空天大学应用化学系，2014年获得犹他大学化学博土学位（师从Henry White 教授）后，2014-2017年进入德克萨斯大学奥斯汀分校进行博后研究（师从Richard Crooks 教授）。2017年加入韦恩州立大学化学系任助理教授，并于2022 成为首位Carl R. Johnson 冠名教授。

罗龙教授获得多种奖顶包括美国NSF CAREER Award、NIH MIRA Award、the Sloan research fellowship、Wayne State University Academy of Scholars Junior Faculty ward，被Chem. Commun.、Nanoscale、Anal. Bioanal. Chem.选为Emerging investigator 并为Langmuir 青年编委会成员之一。以第一作者或通讯作者身份，在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Anal. Chem. 等杂志发表论文近70篇。现任ACS Electrochemistry 和Journal of Electrochemistry编委。现主持多项美国科学基金委、美国国立卫生研究院、美国能源部研究项目，并与默沙东、Honeywell等公司合作紧密。

下面简要介绍该课题组近年来的研究成果。

一、交流电有机合成

交流电有机合成是一种新兴的电化学合成技术，通过在反应电极上施加交变电压，促进有机分子的氧化还原反应。与传统的直流电方法相比，交流电电解能够克服传统直流电合成中反应中间体在电极直接迁移缓慢的问题，尤其适用于寿命较短的中间体反应。罗教授课题组首先在2020年使用三氟甲基化芳烃作为模型反应，通过交流电在同一电极上顺序进行氧化和还原反应，避免了中间体的迁移问题，从而显著提高了产物的产率（从13%提升至84%）（Org. Lett., 2020, 22, 6719–6723）。

图1. 三氟甲基化芳烃通过交流电有机合成提高产率。图片来源：Org. Lett.

交流电有机合成还能够通过调节交流电的频率来精准控制有机分子的氧化还原反应，有效避免过度氧化或还原的问题。罗教授课题组在氨基化合物的选择性功能化中，通过调节交流电频率可以实现单电子氧化生成α-氨基自由基，而不是双电子氧化生成亚胺离子。这种方法提供了一种新的途径来解决合成有机化学中的选择性问题，并且通过循环伏安法研究，可以预测不同底物的最佳交流电频率，从而避免了传统方法中耗时的反复试验（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 9874–9882）。

图2. 交流电合成对氨基化合物的选择性功能化。图片来源：JACS

不仅如此，罗教授课题组还通过交流电电解克服电化学合成中官能团兼容性的限制（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 21851–21859）。传统电合成中，官能团的耐受性通常受到其电化学反应电位窗口的限制，这导致某些官能团在该窗口内不可避免地发生氧化还原反应，从而生成副产物并降低产率。罗教授课题组在烯烃的异二官能团化反应中，展示了交流电电解如何利用交变的氧化还原环境使氧化还原活性官能团能够可逆地转化，进而显著提高官能团的相容性。实验结果表明，即使是在电位窗口内的氧化还原敏感官能团如噻醚、醌和吡咯，在交流电电解条件下也能够得到在合成中有用的产物。此外，循环伏安法研究表明，峰电流比可以用作预测交流电电解反应产率的指标。

图3. 交流电合成克服反应电位对官能团兼容性的限制。图片来源：JACS

二、功能材料

（1）量子点凝胶

罗教授课题组在2020年研究了电化学组装金属硫属化物量子点（如CdS、ZnS和CdSe）形成宏观三维连接的多孔材料（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 12207-12215）。这种方法通过电化学氧化去除量子点表面的配体，然后通过二硫键等键合方式将量子点连接成凝胶网络，并且这一过程是可逆的。该研究展示了该方法在制备气体传感器中的应用，以一步法制备了CdS凝胶气体传感器，在室温下对NO₂气体表现出极高的灵敏度和选择性。

图4. 量子点的电化学可逆凝胶化。图片来源：JACS

在此基础上，罗教授课题组研究了电化学凝胶在光催化有机合成以及在药物同位素标记领域的应用。2022年，该课题组发现通过失去表面配体并形成三维多孔结构，CdS量子点凝胶显著提升了反应物与催化剂表面位点的相互作用，从而提高了光催化活性（Chem. Commun. 2022, 58, 11260-11263）。接着，该课题组发现CdS量子点凝胶可作为直接氢原子转移（d-HAT）光催化剂，用于C-H键的活化（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202403186）。研究发现，光激发的CdS QD凝胶能够从C−H底物中直接吸引氢原子，生成中性自由基。该催化剂在多种底物的C−H键活化中表现出广泛的适用性，包括环状醚、酰胺、醛和苄基化合物。与传统的光催化剂相比，CdS QD凝胶通过d-HAT机制实现了高效的C−H键活化，并通过线性关系验证了反应速率常数与C−H键解离能之间的相关性。

图5. CdS量子点凝胶作为直接氢原子转移光催化剂。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

基于CdS量子点凝胶的异相光催化系统，罗教授课题组进一步研究其用于药物的氢同位素标记（Preprint at ChemRxiv. 2024; doi: 10.26434/chemrxiv-2024-m65b5）。该系统利用CdS量子点凝胶，通过独特的双重氢同位素交换路径，实现了多种药物分子中不同C−H键位点的高效氘和氚标记。这一双路径机制包括在溶液中和催化剂表面同时进行的氢同位素交换，克服了传统方法中只能标记特定类型位点的局限性。研究表明，该方法在26种市售药物中实现了高水平的氢同位素掺入，为药物代谢动力学研究和新药开发提供了强大的工具。

图6. CdS量子点凝胶用于药物的氢同位素标记。图片来源：ChemRxiv

罗教授课题组还通过掺杂Pb离子的PbCdSe量子点凝胶，显著增强了室温下对NO₂的气体传感性能（Nat. Commun. 2021, 12, 4895）。研究表明，这种掺杂策略通过在量子点凝胶中分散Pb离子位点，成功优化了传感器的响应和恢复时间，从而实现了高性能的NO₂传感。这种PbCdSe QD凝胶表现出超低的检测限（3 ppb）、高灵敏度（0.06%/ppb）以及快速的响应（~28秒）和恢复时间（~60秒）。

图7. PbCdSe量子点凝胶常温NO₂传感器。图片来源：Nat. Commun.

（2）晶界材料

罗教授课题组于2022年报道了一种富含晶界的贵金属纳米颗粒组装体的合成、表征及其在催化反应中的高活性（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2204169）。通过简单可控的电解方法，研究人员成功制备了富含Σ3(111)孪晶界的铂、钯、金、银和铑纳米颗粒组装体，并发现这些材料在氢气氧化催化反应中表现出极高的活性，尤其是在室温下的氢气传感应用中，展示了远超商业铂催化剂的性能。密度泛函理论计算揭示，Σ3(111)孪晶界因其诱导的氧分子解离能力，显著增强了氢气氧化反应的速率。

图8. 富含晶界的贵金属纳米颗粒组装。图片来源：Adv. Funct. Mater.

三、分析化学

（1）电化学气泡成核

罗教授课题组研究了在纳米电极上气泡形成与 析氢反应（HER）动力学之间的关系（Langmuir. 2018, 34, 4554-4559）。通过在Au和Pt纳米电极（NEs）上进行实验，该课题组发现HER的限速步骤分别为Volmer步骤和Heyrovsky步骤。此外，研究揭示了气泡形成电位与标准速率常数的对数之间存在线性关系，这一关系对于Au和Pt NEs均成立，表明HER活性较高的电极在更正的电位下形成气泡。理论模型解释了这一线性关系是由于Au和Pt NEs具有相似的气泡成核条件。

图9. 纳米电极上气泡形成与 析氢反应。图片来源：Langmuir

（2）PFAS分析与降解

在以上研究的基础上，罗教授课题组发明了一种基于气泡成核的电化学检测方法，用于选择性和高灵敏度地检测表面活性剂（Anal. Chem. 2019, 91, 7744-7748）。该方法利用表面活性剂对气泡成核条件的影响，通过电化学信号来确定表面活性剂的浓度。研究显示，该方法可以定量检测水中全氟表面活性剂（PFAS），最低检测限达到30 µg/L，线性动态范围超过3个数量级。在加入预浓缩步骤后，检测限进一步降低到70 ng/L，这与美国环保署针对饮用水中PFOS和PFOA的健康建议标准相符。该方法在存在大量非表面活性剂干扰物的情况下仍表现出极高的特异性，显示作为表面活性剂电化学检测通用方法的潜力。

图10. 基于气泡成核的表面活性剂电化学检测。图片来源：Anal. Chem.

（3）稀土元素分离与回收

罗教授课题组提出了一种通过配体辅助电化学气溶胶形成过程从医院废水中回收和预浓缩痕量Gd的新方法（ACS EST Engg., 2024, 4, 540–549）。该方法利用Gd结合配体的表面活性，在水电解产生的气泡表面进行Gd的富集和捕获，当气泡破裂时，携带Gd配合物的气溶胶液滴被释放并收集。研究表明，该方法能够从50 ppb的Gd水样和稀释的人工尿液中提取约75%的Gd，并实现高达390倍的浓缩。进一步的电泳分离使Gd与配体分离，Gd以Gd(OH)₃形式沉淀，并可通过水提取回收约80%的配体用于下一次循环。

图11. 通过电化学气溶胶形成从医院废水中回收Gd。图片来源：ACS EST Engg.

总体来说，罗龙教授课题组研究方向主要集中在交流电有机合成、量子点凝胶光催化、同位素置换、晶界材料、气体传感器、PFAS分析、稀土元素回收等。欢迎申请美国犹他大学罗龙教授课题组博士研究生及博后。

图12. 罗龙课题组研究方向及其时间线。

图13. 罗龙课题组合影。

导师介绍

罗龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/215018 

课题组网站

https://luo.chem.test.utah.edu/group-news/index.php