葡萄糖是生物質中最常見且含量最豐富的化合物之一，可用於轉化為多種商用化學品，如5-羥甲基糠醛，山梨糖醇，葡萄糖酸（GNA）和葡糖二酸（GRA）等。GRA被認為是由生物質製備的「高附加值化合物」，因為它是用於生產生物可降解聚合物、可降解洗滌劑和金屬絡合劑的關鍵中間體；同時它的衍生物在癌症化療和降低膽固醇等醫療保健領域得到廣泛的應用。
GRA目前主要是通過化學氧化或微生物發酵來製備，前者是GRA生產的主要工業方法。但常規葡萄糖催化氧化為GRA的方法有幾個缺點：（1）需要大量的有毒氧化劑；（2）對GRA的選擇性低；（3）產生多種副產物；（4）需要使用高壓氧氣（或空氣和硝酸）。研究發現，將生物質轉化為商用化學品可減少對化石燃料資源的依賴，而採用電能驅動的電化學方法則是有應用前景的技術之一。
近日，中國科學技術大學的俞漢青和威斯康星大學麥迪遜分校的George W. Huber報導了採用電化學法將生物質轉化為高附加值化學品的最新研究成果。在這項工作中，作者使用NiFe LDH納米片作為前驅體材料在三維泡沫鎳合成了NiFe氧化物（NiFeOx）和NiFe氮化物（NiFeNx）催化劑，這些催化劑分別顯示出對陽極葡萄糖氧化反應和陰極析氫反應的高活性和選擇性。由這兩種催化劑分別用作電解池的陰陽極組裝而成的電解池在1.39 V的電壓獲得100 mA cm-2的電流密度，法拉第效率高達87%，葡糖二酸的產率為83％，並通過原位紅外光譜證實是通過葡萄糖電解所產生。
嚴格的過程模型與技術經濟分析相結合表明，通過電化學還原葡萄糖製備葡糖二酸，其成本比目前的化學方法低54％。這項工作表明葡萄糖電解是一種可平衡氫氣製備和生物質轉化的節能且經濟高效的方法。該研究成果以「Efficient electrochemical production of glucaric acid and H2 via glucose electrolysis」為題與2020年1月14日發表在國際期刊Nature Communications。本文開發了一種將葡萄糖電解轉化為葡糖二酸(GRA)和H2的方法。以NiFeOx-NF和NiFeNx-NF催化材料分別作為陽極和陰極，進行陽極葡萄糖氧化和陰極HER。該電解裝置可高效、高選擇性地製備GRA和H2。用NiFeOx-NF作為葡萄糖氧化的陽極，NiFeNx-NF作為HER的陰極的兩電極式葡萄糖電解槽，以1.48 V的電壓獲得200 mA cm-2的電流密度，並且可以穩定運行24 h，具有良好的穩定性。由於這些催化劑材料的豐富特性以及可用於製備諸如GRA和H2等高附加值化學品，這種有機化合物電解策略有望為生物質原料的轉化提供更多可能性。
Efficient electrochemical production of glucaric acid and H2 via glucose electrolysis(Nature Communications，2020，DOI: 10.1038/s41467-019-14157-3)
原文連結：https://doi.org/10.1038/s41467-019-14157-3
（來源：微算雲平臺）