在当代电气化时代，对可持续、高效化学过程的不断增长的需求，使得电催化在有机合成和工业生产中占据了至关重要的地位。在众多电催化剂中，有机电催化剂（Organo-electrocatalysts, OEs）因其固有的生物相容性、易得性以及多功能性而展现出巨大的潜力。然而，有机电催化剂的实际应用仍面临三大主要障碍：电极与有机分子间相互作用机制不明确、合成高附加值化学品的效率不足，以及在商业化生产条件下的耐久性较差。这一工作真正界定了有机电催化剂（Organo-electrocatalysts）的概念，即有机小分子负载在电极上进行异相有机和无机合成的体系。

为了解决这些挑战，清华大学王定胜教授、李亚栋院士，香港城市大学楼雄文教授，杨嘉睿教授从人体内的氯离子通道（CLC-1）中汲取灵感，设计并合成了一类含有酰胺基团的有机电催化剂。这类催化剂不仅能够促进电极上的氧化和还原过程，还在工业级条件下（5 M NaCl, pH 2, 90 °C）的无机析氯反应中表现出高活性（在1 A cm^-2下过电位仅为91 mV）、高选择性（99.9%）以及卓越的耐久性（1 A cm^-2下稳定运行200小时）。此外，这些催化剂在多种与氯相关的有机合成反应中也展现出强大的催化能力。2026年4月8日，该研究成果以“High-efficiency organo-electrocatalysts enable both anodic and cathodic reactions”为题，发表在Nature Synthesis期刊上。论文第一作者为杨嘉睿，通讯作者为杨嘉睿、王定胜、楼雄文。

催化剂的设计与结构表征

受生物体内质子耦合氯离子传输机制的启发，研究团队设计了一系列源自CLC-1离子通道核心结构的有机分子。其中，含有多个氟基团的分子1a被选为核心催化剂，因为氟原子周围形成的弱相互作用和氢键有望增强反应物的吸附和电子转移。为了探究这些分子在电极上的状态，研究人员在室温和100 °C下对Au(111)表面进行了扫描隧道显微镜（STM）表征。结合理论模拟，结果表明六个1a单体自组装形成了一个孔径约为1 nm的环状通道结构，这种结构极大地有利于氯离子的传输。

图1：分子催化剂设计灵感来源。

此外，X射线光电子能谱（XPS）和软X射线吸收光谱（sXAS）揭示了该催化剂的电子特性。1a上N 1s轨道的结合能较低，这种相对较低的价态有利于质子的吸附和转移，并可能在反应过程中作为活性位点。开尔文探针力显微镜（KPFM）分析进一步显示，电极表面呈现负电势，这在热力学上促进了自发的质子转移。通过仿生设计，研究团队成功合成了一种能够自组装形成离子通道结构的有机分子，其独特的几何和电子结构为高效电催化奠定了基础。

氯碱工业条件下的无机电化学性能

为了验证该有机电催化剂的实际应用潜力，研究团队选择了耗电量巨大的氯碱工业阳极反应（析氯反应，CER）作为模型。在氧气去极化阴极（ODC）系统中，1a在90 °C、5 M NaCl（pH 2）的极端工业条件下，展现出了与当前最先进的尺寸稳定阳极（DSA，主要由Ru、Ir和Ti组成）相媲美的催化效率。

图2：无机电有机性能验证。

实验室与工业条件下的有机转化

除了无机反应，有机合成在现代化学工业中同样占据重要地位。研究团队进一步探索了该有机电催化剂在多种有机反应中的应用。在实验室规模下，1a成功催化了芳烃和烷烃的卤化、烯烃的多功能化以及炔烃的半加氢等反应，并表现出极高的转化率和选择性（例如对目标产物的选择性高达99%）。

图3：有机电催化性能验证。

更为巧妙的是，研究人员将阳极氧化和阴极还原反应结合起来，实现了从炔烃到氯代醇甚至多元醇的“一锅法”合成。

催化机理研究

为了深入理解这种双功能催化剂的作用机制，研究团队进行了全面的理论计算和原位光谱表征。在酸性条件（pH < 2）下，位于阳极和阴极的分子首先发生质子化，形成带正电的活性物种（1a-H⁺）。这种质子化过程不仅在还原反应中提供了氢原子，还显著增强了氯离子与催化剂分子之间的吸附相互作用。

图4：机理验证。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-026-01039-y