IF 42.8！通过 Fe/Fe2O3 界面将羰基化合物高效电还原为醇

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羰基化合物的催化加氢反应在化工制造与生物质精炼中应用广泛，但传统热催化工艺需高温、高压氢气及昂贵催化剂。本研究提出一种基于铁/氧化铁纳米阵列（Fe/Fe₂O₃ NAs）的电化学还原策略，通过Fe与Fe₂O₃界面协同作用强化丙酮吸附与活性氢（H*）生成动力学，实现羰基化合物高效转化。以丙酮为模型分子，在1 M KOH电解液中获得1.6 A cm⁻²的异丙醇分电流密度及近100%选择性；在双电极放大体系中，Fe/Fe₂O₃ NAs于0.2 A cm⁻²电流密度下稳定运行1000小时，丙酮转化率>99%，异丙醇选择性100%，产率达21.6 g gcat⁻¹ h⁻¹。该催化剂还成功拓展至多种羰基化合物电化学加氢制备对应醇类，展现出普适性。

创新点

1.首次揭示Fe/Fe₂O₃异质界面通过电子转移调控丙酮吸附构型（C=O键优先活化）与H₂O解离路径（加速H*生成）的协同作用，打破传统热催化中吸附-活化能垒的线性比例限制，实现低温常压下高反应速率与选择性。

2.提出纳米阵列自支撑结构策略，利用Fe₂O₃表层氧化态抑制Fe纳米颗粒在电化学循环中的过度溶解与团聚，解决非贵金属催化剂在强碱性电解液中的长期失活难题，实现千小时级稳定运行。

3.通过调控Fe/Fe₂O₃界面电子密度，建立羰基化合物电化学加氢的构效关系模型，成功应用于醛、酮、酯等多类底物，为生物质衍生平台分子（如糠醛、乙酰丙酸）高值化转化提供通用平台。

对科研工作的启发

1.需开发原位X射线吸收谱（XAS）与表面增强拉曼（SERS）联用技术，实时追踪电化学条件下Fe/Fe₂O₃界面氧化还原态演变与中间物种吸附行为，解析动态活性位点形成机制。

2.建议采用机器学习辅助的密度泛函理论（DFT）计算，筛选最优Fe/O配位构型及界面电荷分布，指导设计具有特定d带中心位置的过渡金属氧化物复合催化剂。

3.需探索三维多孔气体扩散电极与脉冲电位耦合策略，强化传质效率并抑制析氢副反应，推动电催化加氢从实验室级电解池向工业级反应器升级。

思路延伸

1.将Fe/Fe₂O₃ NAs与生物电化学系统（BES）结合，利用微生物发酵产生的还原性介质（如NADH）作为电子供体，实现生物质衍生羰基化合物“原位发电-加氢”一体化转化。

2.设计Fe/Fe₂O₃@TiO₂异质结光阳极，通过太阳光激发产生空穴-电子对，协同外电场驱动羰基加氢与CO₂还原，发展碳中和导向的多反应耦合新路径。

3.在Fe/Fe₂O₃表面修饰手性配体（如樟脑磺酸），利用界面电场诱导效应调控加氢立体选择性，为药物中间体（如β-受体激动剂沙丁胺醇）绿色合成提供新方法。

生物医学领域的应用

1.利用电催化加氢的高选择性，替代传统钯/铂催化氢化工艺，合成高纯度医药中间体（如布洛芬前体异丁基苯甲醇），避免重金属残留与高温高压安全隐患。

2.基于Fe/Fe₂O₃界面电子转移特性，构建电化学检测平台，用于实时监测血液中醛类代谢物（如糖尿病标志物丙酮酸）浓度，提升检测灵敏度与抗干扰能力。

3.将Fe/Fe₂O₃纳米阵列涂覆于骨科植入物表面，通过电化学调控局部微环境pH值，抑制细菌生物膜形成并促进成骨细胞黏附，实现抗感染-骨整合双功能协同。

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Nature Catalysis ( IF 42.8 )

Pub Date : 2025-04-02

DOI: 10.1038/s41929-025-01316-7

Jin Lin , Zhenpeng Liu , Haofei Wu , Zhiqi Wang , Guangqiu Wang , Ju Bu , Yanan Wang , Pan Liu , Junjie Wang , Jian Zhang