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2026-09-02

第一作者：Hengan Wang

通讯作者：Xinchen Kang (康欣晨), Buxing Han (韩布兴)

通讯单位：中国科学院化学研究所

研究要点

本研究报道了一种通过离子液体修饰铋（IL@Bi）催化剂，在单室流动池中电化学耦合CO₂和亚磷酸盐（HPO₃²⁻）合成抗病毒药物膦甲酸钠的新路线（图1）。该催化剂在–2.7 V vs. RHE条件下实现了37.5%的膦甲酸钠法拉第效率，电流密度达224.2 mA cm⁻²，生产速率达1,555.6 μmol cm⁻² h⁻¹，为未修饰Bi催化剂生产速率的十倍。机理研究表明，离子液体1-丁基吡啶溴盐（BpyBr）中的Bpy⁺阳离子在阴极还原为Bpy˙自由基，该自由基将电子转移给溶液中的CO₂生成游离的CO₂˙⁻，从而与阳极生成的PO₃²⁻自由基在电解质中偶联。该路径绕过了CO₂˙⁻在电极表面的强吸附，抑制了甲酸盐的生成；同时IL@Bi表面带正电的Bpy⁺排斥H⁺，抑制了析氢反应。该催化剂在50小时长周期电解中保持稳定，技术经济评估表明其生产成本具备商业竞争力。

图1. 催化体系示意图

一、研究背景

膦甲酸钠作为一种病毒DNA聚合酶抑制剂，在临床上用于治疗疱疹病毒和巨细胞病毒视网膜炎，其市场价格约为13,561美元/吨。目前工业上合成膦甲酸钠主要依赖多步化学法，通常涉及危险试剂、苛刻反应条件和较高生产成本。因此，发展一条直接、可持续且高效的合成路线具有科学和工业意义。CO₂作为温室气体，亚磷酸盐作为水体污染物，二者可分别作为碳源和磷源通过构建C–P键来合成膦甲酸钠（图2）。然而，CO₂和HPO₃²⁻本身具有化学惰性，C–P键的形成在热力学和动力学上均存在挑战，该路线此前尚未有成功报道。

电合成策略在C–C、C–N、C–S等键的构建中展现出潜力，为C–P键的形成提供了可能。但在本体系中仍面临两大难题：一是CO₂还原通常需要催化剂以降低过电位并抑制甲酸等竞争路径；二是亚磷酸盐需转化为高活性的磷中心自由基或阴离子才能参与C–P偶联，且需精确控制电子转移动力学。此前尚无CO₂与HPO₃²⁻电化学C–P偶联的报道，开发新型催化体系并进行详尽机理研究是实现选择性合成膦甲酸钠的关键。

图2. 反应示意图与可行路径

二、催化剂设计与表征

研究团队首先通过化学还原法制备金属Bi颗粒，具体步骤为：将BiCl₃溶于去离子水，逐滴加入NaBH₄水溶液，收集产物并洗涤干燥。所得Bi颗粒与Nafion溶液分散于异丙醇后涂覆于碳纸，再将电极分别在NaBr溶液和BpyBr溶液中进行电化学沉积，得到Bi和IL@Bi电极。元素分析显示IL@Bi中离子液体含量为5.2 wt%。X射线衍射、Bi 4f X射线光电子能谱及Bi L₃边X射线吸收近边结构谱共同确认两种催化剂中Bi均保持六方晶格结构和零价态。扫描电镜显示二者均呈花状形貌，能谱面扫显示Bi和N元素在IL@Bi中均匀分布。高分辨透射电镜在IL@Bi表面观察到薄的无定形IL层。傅里叶变换红外光谱显示，C=N键的伸缩振动峰由纯IL的1,639 cm⁻¹红移至IL@Bi的1,631 cm⁻¹。N 1s XPS谱图经分峰拟合后分辨出C=N、C–N和Bi–N三种氮物种（图3）。

图3. Bi与IL@Bi催化剂的表征

三、电化学耦合性能

电化学耦合实验在单室流动池中进行（图4），以Bi或IL@Bi为阴极，Pt网为阳极，电解液为含0.1 M Na₂HPO₃和0.5 M NaOH的DMF/H₂O（体积比1:1）溶液。在恒电位电解后，通过³¹P NMR、¹H NMR和气相色谱对产物进行定性和定量分析，检测到的产物包括膦甲酸钠、甲酸钠、磷酸钠、H₂和O₂。¹³CO₂同位素标记实验证实膦甲酸钠中的碳来源于CO₂。

在所有测试电位下，IL@Bi均展现出比Bi更高的电流密度。两种催化剂的FE_foscarnet均呈火山型趋势，最佳电位均为–2.7 V vs. RHE。在此电位下，IL@Bi的FE_foscarnet达到37.5%，是Bi（6.4%）的5.8倍；同时IL@Bi的电流密度为224.2 mA cm⁻²，高于Bi的126.8 mA cm⁻²，两者叠加使得IL@Bi的膦甲酸钠生产速率达到1,555.6 μmol cm⁻² h⁻¹，为Bi（154.6 μmol cm⁻² h⁻¹）的十倍。在50小时连续电解中，IL@Bi的电流密度和FE_foscarnet均保持稳定，未见明显衰减。电解后催化剂的XRD、HRTEM、XPS和XANES表征均显示其原始结构、形貌、价态和IL状态得以保持。研究团队还制备了Cu、Ag、In及其IL修饰的电极，与未修饰金属电极相比，IL修饰后电流密度和FE_foscarnet均显著提升。

图4. Bi与IL@Bi上CO₂与HPO₃²⁻的电化学耦合性能

四、反应中间体的原位表征

为揭示反应路径，研究团队开展了原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱测试（图5）。在Bi和IL@Bi电极上均观测到位于1,643、1,458和1,388 cm⁻¹的吸收峰，分别归属于OCHO、OCO和膦甲酸钠的C–P键振动。与Bi相比，IL@Bi上OCHO信号明显减弱，而OCO和C–P信号显著增强。

在H型电解池中进行了电子顺磁共振测试，以DMPO为自旋捕获剂。在IL@Bi阴极液中检测到CO₂˙⁻–DMPO加合物（A_H = 22.9 G, A_N = 15.6 G）和H–DMPO加合物（A_H = 22.5 G, A_N = 16.5 G）；而在Bi阴极液中仅观察到H–DMPO信号。阳极液显示PO₃²⁻–DMPO特征信号（A_H = 23.0 G, A_N = 16.3 G, A_P = 39.2 G）。当向电解液中加入自由基清除剂TEMPO后，未检测到膦甲酸钠；在H型电解池中因CO₂˙⁻和PO₃²⁻被隔膜物理分离，同样未检测到膦甲酸钠。这些结果共同表明膦甲酸钠的形成遵循CO₂˙⁻与PO₃²⁻偶联的自由基机制。

图5. 反应中间体的原位表征

五、离子液体的作用机制

原位ATR-SEIRAS与EPR结果表明（图6），在Bi阴极上CO₂˙⁻吸附于电极表面；而在IL@Bi体系下，CO₂˙⁻在电解质中生成。线性扫描伏安曲线显示，IL@Bi在–0.32 V vs. RHE处出现一个Bi所没有的还原峰。恒电位电解后IL@Bi电极表现出强烈的EPR信号（g因子2.004），而Bi保持EPR沉默，证实Bpy⁺被还原为Bpy˙。在–2.7 V电解后，IL@Bi电极上检测到Bpy˙信号，电解液中检测到CO₂˙⁻；断电并持续通入CO₂后，Bpy˙信号减弱，CO₂˙⁻信号增强。重新施加电位后Bpy˙信号恢复。密度泛函理论计算表明，CO₂直接得电子生成CO₂˙⁻的Gibbs自由能变化为+2.08 eV，而经由Bpy˙介导的间接路径（Bpy⁺ + e⁻ → Bpy˙；CO₂ + Bpy˙ → CO₂˙⁻ + Bpy⁺）总ΔG为–0.36 eV。阿伦尼乌斯方程拟合结果显示，IL@Bi上膦甲酸钠生成的活化能为20.06 kJ mol⁻¹，Bi为61.95 kJ mol⁻¹。电化学阻抗谱测得IL@Bi的电荷转移电阻为120.2 Ω cm²，Bi为240.6 Ω cm²。

图6. 膦甲酸钠电合成中电子转移机制的研究

六、反应机理

综合上述实验与理论结果，研究团队提出了C–P偶联反应机理（图6）。在阳极，HPO₃²⁻被氧化为PO₃²⁻自由基并释放质子。在Bi阴极上，CO₂被还原为吸附态CO₂˙⁻，PO₃²⁻需迁移至电极表面与之反应。而在IL@Bi体系下，Bpy⁺先在阴极还原为Bpy˙自由基，该自由基将电子转移给溶液中的CO₂，生成游离的CO₂˙⁻，使CO₂˙⁻与PO₃²⁻在电解质中直接偶联生成膦甲酸钠。此外，IL@Bi表面富集的Bpy⁺正电荷排斥H⁺，抑制析氢反应；CO₂˙⁻在溶液中生成而非吸附于电极表面，避免了甲酸盐的生成。

七、技术经济评估

基于电催化领域已有模型，研究团队对膦甲酸钠电解工艺进行了初步技术经济评估。生产费用分为物料、设备投资和运行费用三部分。按DMF和NaOH为一次性消耗品计算，膦甲酸钠的生产成本为11,725.78美元/吨，低于市场价13,561.64美元/吨，净利润约为1,835.86美元/吨。若将上述试剂回收循环使用，生产成本降至3,702.03美元/吨，净利润提升至约9,859.61美元/吨。即便电价上涨至1.9美元/千瓦时，该工艺仍具经济可行性。

八、结论

本研究实现了以CO₂和亚磷酸盐为原料电化学合成膦甲酸钠，设计的IL@Bi催化剂在–2.7 V vs. RHE条件下FE_foscarnet达37.5%，电流密度224.2 mA cm⁻²，生产速率1,555.6 μmol cm⁻² h⁻¹。机理研究明确了C–P键形成遵循自由基偶联路径，离子液体通过Bpy˙介导的间接电子转移将CO₂还原为游离的CO₂˙⁻，提升了与PO₃²⁻的偶联效率；同时IL@Bi表面排斥H⁺抑制析氢，以及CO₂˙⁻脱离电极表面避免甲酸副反应，共同实现了选择性C–P偶联。

原文详情：

Hengan Wang, Ran Duan, Yiyong Wang, Meng Zhou, Wenling Zhao, Jiahao Yang, Yaoyu Yin, Shipeng Zhang, Shiqiang Liu, Zhongnan Ling, Huisheng Qin, Ke Li, Xing Tong, Pei Zhang, Qinggong Zhu, Yi Xu, Xinchen Kang, Buxing Han. Electrochemical coupling of CO₂ and phosphite for foscarnet synthesis. Nature Catalysis (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41929-026-01608-6