α-氨基酸是构成生命体蛋白质的基本组成单元，在生物多肽、小分子药物、动物饲料和食品添加剂中发挥中重要的作用。汽车和工业废气废水中的氮氧化物（NOx）已造成严重的环境生态问题并威胁着人类健康。因此，将NOx转化成高附加值的含氮化学品（如氨基酸）具有重大意义但极富挑战。中山大学李光琴教授团队曾报道以原子级分散的Fe催化剂实现了电催化NOx合成多种必需氨基酸（Angew. Chem Int. Ed 2023, e202304007）。然而，由于反应路径的多样复杂性和多种竞争反应的共存，导致氨基酸的选择性和产量较低。针对上述问题，近日中山大学李光琴教授团队和中国科学技术大学刘庆华教授团队合作，通过CoFe合金修饰自支撑碳纤维膜催化剂（CoFe-SSM）电催化共还原NOx和α-酮酸，实现高选择性、高产率合成一系列氨基酸。

亮氨酸是人体必需的8种氨基酸之一，它在促进身体生长、组织愈合及调节血糖等人体生命活动中具有重要的作用。以亮氨酸为例，在-0.7 V vs. RHE下，亮氨酸的选择性达到56.7%，法拉第效率为32.4%，产率高达115.4 μmol h^-1。通过系列对比实验证实，可再生绿色清洁能源电能是合成氨基酸的驱动力，亮氨酸上的N源来源于NO，且CoFe-SSM具有最优异的电合成氨基酸性质。该膜催化剂具有超长的电催化稳定性，240小时后电催化合成亮氨酸的活性没有明显下降，经过简单的冷冻干燥分离后，氨基酸的产量达到~3.3 g。

在刘庆华教授团队协助下，通过原位XAFS表征技术监测了反应过程中的催化剂价键变化，证实Fe和Co作为催化活性位点协同促进氨基酸的电催化合成。原位SRIR监测到反应过程中关键中间体的形成，深刻揭示了电催化合成氨基酸的反应机理：NO→NH₂OH→肟→氨基酸。

该方法具有很好的普适性，不仅可以拓展到多种碳源底物，以高产量电合成了13种α-氨基酸，其中包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸等多种天然氨基酸；还适用于多种氮源（包括NO₂、NO₃^-和NO₂^-）。此外，放大实验成功实现了亮氨酸和2-氨基丁酸的克级制备，暗示着该方法在将工业废气和废水中的NOx可持续地转化成高附加值的氨基酸上具有巨大的应用前景。

综上所述，本工作以废气、含氮废水为原料，通过绿色可再生的电化学方法实现了多达13种氨基酸的高效合成。这对解决氮氧化物环境污染和其可持续转化具有深远意义。此外，本研究不仅为电催化制氢过程中活性氢的高效利用提供了新思路；而且为电催化NOx转化成具有高附加值的含氮化学品提供了重要且独特的新视角。