无氰路线通向腈类电合成

清理化学的一个隐蔽角落

腈类化合物是现代生活中默默无闻的主力，存在于药物、塑料、染料和农用化学品中。然而工业规模生产它们常常会排放二氧化碳、氮氧化物，甚至有毒的氰化物。本文介绍了一种利用电能和低强度催化剂而非高温或有毒试剂制备腈类的方法，为更清洁的工厂指明了方向，甚至可以重复利用自身的废气。

为何现有路线存在问题

工业上通常通过将简单原料与氨和氧在数百度摄氏度的条件下加热来制备腈类。这样的高温条件难以精确控制，因此部分原料会被完全燃烧为二氧化碳和氮氧化物。替代路线则用大量氰化物盐代替高温化学，但氰化物毒性极高，难以在大规模下安全处理。每年使用数百万吨氰化物，哪怕是小幅低效也会留下危险废物。一种更可持续的方法应在室温下运行，接入可再生电力，彻底避免氰化物，同时仍然产生相同的有价值产物。

把电能变成化学工具

作者设计了一个电化学系统正是实现这一目标：它用电能驱动将醛（此处为苯甲醛）与氨转化为腈类（苯甲腈）的反应。系统的核心是生长在铜泡沫上的精心构筑催化剂。微小的氧化钴簇位于铜氧化物纳米棒的顶端，形成大面积的活性表面。当在苯甲醛、氨、水和乙腈的液相混合物中施加适度正电位时，该电极几乎将每一个电子都转化为目标腈产物，法拉第效率接近99%，选择性几乎完美。该催化剂在至少100小时内性能损失很小，表明其可能足够稳健用于工业应用。

跟踪反应过程中的原子

为理解这一清洁转化如何发生，团队使用多种光谱学技术实时观察反应。他们发现苯甲醛和氨首先结合生成一种短寿命的中间体，类似亚胺——本质上是碳氧双键被碳氮双键所取代。该物种吸附在催化剂表面的铜位点上，在施加电压下氢原子逐步被去除，最终形成腈类所特有的碳氮三键。计算机模拟支持这一描述，显示高氧化态的铜特别擅长从中间体中抽取电子，而邻近的氧化钴簇增加了活性位点数量并微妙地调节铜的电子性质，从而有利于这一脱氢步骤。

从简单芳烃到实际产品

在苯甲醛上建立起来的方法证明具有通用性。一系列芳香族和脂肪族醛，包括含氯、溴或氰基的底物，都被平稳地转化为相应的腈，效率约在78%到97%之间。该系统甚至可以并入从醇或简单烃（如甲苯）出发的多步路线，先将它们氧化为醛，再推进到腈。值得注意的是，其中一些起始原料本身可以由捕集的二氧化碳制得，暗示了从废气到高附加值化学品的全电气化链路的可能性。

将被污染的空气回收为有用产品

一个尤其吸引人的转折是，反应所需的氨不必来自传统的高能耗哈伯—博世法。作者展示了可以将腈的阳极生产与在同一装置中将氮氧化物——主要的空气污染物——还原为氨的阴极过程配对。在高达每平方厘米200毫安的电流密度下，阴极形成的氨量与阳极消耗的氨量接近匹配。原则上，这意味着工厂可以把自身的氮氧化物排放转化为制造更清洁腈类的氮源。

一种更安全的日常分子合成路径

通俗地说，这项工作用一种更冷、以电力驱动的方法取代了高温、肮脏且有时有毒的化学工艺，能够以更少的不良副产物制造相同的有用腈类。通过将巧妙设计的催化剂与对反应条件的精细控制相结合，作者实现了高产率和长寿命，同时打开了利用废气作为原料的可能性。如果放大应用，这类电化学路线可以帮助化学工业实现部分脱碳，缩小许多日常产品的环境足迹，而不改变这些产品本身。

引用: Xian, J., Wang, L., Mi, Z. et al. A cyanide-free route towards the electrosynthesis of nitriles. Nat Commun 17, 4095 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70732-5

关键词: 电合成, 绿色化学, 腈类, 氨, 废气利用