王海梁/杨培东院士，最新Nature Synthesis！

米测MeLab

2026-01-06

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

利用可再生能源将二氧化碳 (CO₂) 转化为燃料和化学品是减缓温室气体排放、实现循环碳经济的重要途径。

关键问题

目前，CO₂还原主要存在以下问题：

1、复杂碳水化合物合成难度极大

通过单一的电催化或光催化步骤将CO₂直接升级为C₅₊碳水化合物，需要极高难度的多电子还原和复杂的C-C耦合控制，这在目前的技术水平下极难实现。

2、生物化学法生产效率低下

现有的多步生化路径通常依赖发酵或酶催化，面临反应周期长（数天）、生产速率低以及产物分离复杂的瓶颈，难以满足高效生产的需求。

新思路

有鉴于此，耶鲁大学王海梁、加州大学伯克利分校杨培东院士等人提出一种两步电化学还原-甲醛缩合反应方法，使用羟基甲烷磺酸盐 (HMS) 作为甲醛的一种更稳定的替代物，以促进从电化学固定的 CO₂ 直接合成 C₅₊ 碳水化合物。使用支撑在多壁碳纳米管上的四氨基酞菁钴分子作为电催化剂，在 150 mA cm⁻² 的总电流密度下实现了约 12% 的 HMS 法拉第效率。采用直接一氧化碳 (CO) 还原可将法拉第效率提高到约25%，碳效率超过 63%。生成的 HMS 可在温和条件下实现高效的甲醛缩合反应，C₅₊碳水化合物的产率达到 20.4%。CO₂衍生的 HMS 还展示了其作为甲醛替代物在其他反应中合成各种高价值化学产品的多功能性，为通过拦截甲醛中间体利用电化学固定 CO₂ 进行高级化学合成提供了一种新方法。

技术方案：

1、验证了在CO₂电解过程中利用亚硫酸盐拦截甲醛中间体的可行性

研究团队在CO₂电解中利用亚硫酸盐拦截甲醛中间体，通过CoPc-NH₂/CNT催化剂将甲醛转化为稳定的羟基甲烷磺酸盐（HMS），其法拉第效率显著提升至12%~25%。

2、实现了电化学还原与甲醛缩合反应耦合

HMS在强碱性条件下释放甲醛，用于甲醛缩合反应合成C₅₊碳水化合物，产率20.4%，反应速度快且经济可行，具有可持续性潜力。

3、证实了HMS在化学合成中的扩展应用

HMS作为甲醛替代物可在多种化学合成中应用：电还原为乙二醇、与丙酮生成减水剂、与羟胺合成甲醛肟，展现了从CO₂合成高价值化学品的潜力。

技术优势：

1、创新性地引入 HMS 作为稳定中间体

作者巧妙地利用亚硫酸盐拦截了电解过程中极不稳定的甲醛中间体，并将其转化为稳定的 HMS，解决了甲醛易被进一步还原或歧化的技术难题。

2、构建了高效非生物合成路径

本文建立了“电还原-甲醛缩合”两步法，无需复杂的生物酶系统，即可在温和条件下快速、高效地从CO₂合成C₅₊碳水化合物，且能源利用率和生产速率优于传统生化路径。

技术细节

拦截中间体合成稳定前驱体 HMS

研究团队首先验证了在CO₂ 电解过程中利用亚硫酸盐拦截甲醛中间体的可行性。由于甲醛在水相电化学环境中极易被进一步还原为甲醇，研究人员使用 CoPc-NH2/CNT 作为电催化剂，在流动电解槽中通过亲核攻击将生成的甲醛捕获为稳定的羟基甲烷磺酸盐 (HMS)。实验表明，在 150 mA cm⁻² 的电流密度下，HMS 的法拉第效率 (FE) 达到约12%，这比之前的文献报道提高了一个数量级。研究发现 HMS 与甲醇共享相同的甲醛中间体，且 C-S 耦合反应在特定电位下能有效竞争过还原反应。此外，通过直接还原 CO，HMS 的法拉第效率可进一步提升至 25%，碳效率高达 63%。这种策略成功克服了甲醛在电还原过程中稳定性差的障碍，为后续合成提供了充足且稳定的C1原料.

图  比较从CO₂到碳水化合物的不同途径

将电化学还原与甲醛缩合反应耦合

获得稳定的 HMS 后，研究人员展示了其在甲醛缩合反应中作为甲醛替代物的能力。在室温下，HMS 在酸性或中性环境中表现稳定，但在pH 12.5的强碱性条件下，超过 99% 的 HMS 会在 6 小时内分解并重新释放出甲醛。研究人员利用电解产生的 17.5 mM HMS 溶液，在 70 °C 温和条件下，以钙离子为催化剂进行甲醛缩合反应，成功合成了 C₅₊ 碳水化合物。实验测得 C₅₊ 碳水化合物的总产率为 20.4%，其中包括己糖和戊糖。这种非生物合成路径不仅反应速度快（数小时而非数天），还规避了生物系统的复杂性。技术经济分析 (TEA) 和生命周期评估 (LCA) 表明，该路径在经济上具有可行性，且其全球变暖潜力低于传统农业模式，展现出显著的可持续性潜力。

图  在亚硫酸盐存在下由CO₂或CO电还原生产HMS

图  通过来自CO₂电解的17.5 mM HMS溶液的甲醛糖反应合成碳水化合物

HMS 在化学合成中的扩展应用

除了合成碳水化合物，研究团队还展示了 HMS 作为多功能甲醛替代物在更广泛化学合成中的应用前景。首先是对称 C-C 耦合：利用碳黑电催化剂将 HMS 电还原为乙二醇，尽管目前的法拉第效率约为 20%，但证明了从 CO₂ 合成重要塑料原料的可行性。其次是 非对称C-C耦合：HMS 与丙酮在碱性条件下反应，以 67% 的产率生成了磺化丙酮甲醛 (SAF)缩聚物，这是一种工业中常用的高效减水剂。最后是C-N耦合：通过HMS与羟胺反应，以99%的极高产率合成了甲醛肟，这是医药合成中的重要中间体。这些应用实例共同证明了HMS可以作为一个反应活性强且性质稳定的平台，连接二氧化碳电还原与高级有机合成，从而生产出多样化的高价值化学品。

图  HMS在各种化学合成中的扩展应用

展望

本文提出并实现了一种创新的二氧化碳固定策略，通过将不稳定的电解中间体拦截为HMS，成功克服了从CO₂合成复杂分子的稳定性障碍。研究建立的两步电化学还原-甲醛缩合路径能够高效生产C₅₊碳水化合物，且展示了在合成乙二醇、工业聚合物和医药中间体方面的多功能性。该工作为利用可再生电力将CO₂ 转化为高价值化学品提供了一种快速、简单且具有经济竞争力的非生物新途径。

参考文献：

Li, J., Chen, K., Soland, N.E. et al. Artificial synthesis of carbohydrates from electrochemically fixed carbon dioxide. Nat. Synth (2026). 

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00961-x