电化学酰胺合成作为一种环境友善的高温合成替代方案具有很大的前景。例如，利用CO2/CO作为碳源已经成功电合成了甲胺、乙酰胺和甲酰胺。反应主要集中在C-N键形成的电化学还原过程。然而，缓慢的OER需要高电位；同时，阴极电化学CO2/CO还原的复杂反应途径只产生少量能够与氮源结合进行C-N偶联的活性物种，极大地限制了酰胺合成的法拉第效率(通常<40%)。
此外，CO2/CO还原产生的活性碳物种主要由C1和C2物种组成，使得生产更高碳数和更复杂的功能化酰胺产物具有挑战性。因此，在环境条件下使用现成的含碳和含氮原料合成高价值酰胺的替代电氧化过程的研究是非常有必要的。
近日，大连理工大学陆安慧和吴涛等报道了一种可持续的阴阳极协同电催化系统，该系统能够在环境条件下将NO3–和正丙醇(CH3CH2CH2OH)转化为丙酰胺。具体而言，Co3O4/SiC和Ti分别作为阴阳极催化剂，NO3–在阴极发生还原，而正丙醇氧化发生在阳极。通过用醇的氧化反应取代高能耗的OER反应，可以最大限度地利用阳极反应，从而提高能量效率。
性能测试结果显示，在三电极系统中，阴极处的丙酰胺法拉第效率高达74.52%；并且，这种设计使得在流动池中生产克极丙酰胺成为可能，在650 mA cm-2下丙酰胺产率达到986.13 μmol cm-2 h-1。
基于对照实验、产物分析、原位光谱表征和理论计算，推测了反应路径。阴极侧的NO3–最初被还原为NO2–和NH2OH中间体，而阳极侧的正丙醇氧化成丙醛中间体。接下来，丙醛在阴极与NH2OH反应形成丙醛肟，然后在电场和局部pH条件的影响下转化为丙酰胺。具体而言，阴极NO3–还原为NH3过程中，水中的质子被消耗，产生OH–，导致局部pH值较高。
因此，形成的肟中间体在电场作用下脱水成腈，并由于局部形成的高pH而进一步水解成酰胺。总的来说，该项工作为环境友善的C-N键合成提供了一种新的选择，这有助于更广泛范围的酰胺的电合成。
Cathode-anode synergy electrosynthesis of propanamide via a bipolar C-N coupling reaction. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c01744
陆安慧，教授，博士生导师，精细化工国家重点实验室副主任，辽宁省低碳资源高值化利用重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者、教育部新世纪优秀人才支持计划入选者。聚焦能源高效清洁利用领域，主要从事多孔材料的制备及在能源催化转化过程中的基础和应用研究。已发表论文260余篇，被引24400余次，H-index为72。
吴涛，大连理工大学化工学院特聘副研究员，硕士生导师。曾先后在美国南卡罗来纳大学及美国加州大学河滨分校从事博士后研究工作。研究方向为能源电化学，致力于发掘新能源高性能电极材料，面向电催化和离子电池体系。开展关键材料设计、反应机理方面的基础研究，理论与实验深度融合，为下一代高效电催化剂及离子电池电极材料设计提供指导。目前的研究兴趣集中在电催化，电池材料的理论与实验设计以及机器学习辅助材料设计，已发表论文40余篇，其中以第一作者(含共一)和通讯作者在JACS、Nat. Commun.、AM、AEM、AFM、ACS Catal.、ACS Nano、ACS Energy Lett.、Chem. Mater.、Energy Storage Mater.、Chem. Eng. J.等期刊发表论文30余篇，总引用4000余次，h-index 32。