氨基酸作为生命体的基本组成分子，也是食品、生物医药、肥料、食品、饲料等领域的重要精细化学品。因此探索小分子合成氨基酸的方法和机制，对于获取丰富、低成本的氨基酸和揭示生命起源具有重要意义。从小分子合成氨基酸的经典例子是Miller-Urey实验，在电弧作用下，由H₂O、CH₄、NH₃和H₂直接生成氨基酸。也有一些早期的报道，在放电、辐射、紫外线照射等高能形式的驱动下，简单碳化合物与简单氮化合物直接反应合成氨基酸。这些研究激发了人们对生命起源的猜想，但大多是定性研究，氨基酸生产效率较低，对反应机理的了解有限，不能成为氨基酸小分子合成的有效方法。以甲醇和硝酸盐分别作为碳源和氮源，通过构建C-C和C-N键直接合成氨基酸，是一种可持续获取氨基酸的途径。然而，这显然是一个复杂且具有挑战性的多步串联催化反应。据我们所知，目前还没有实现由甲醇和硝酸盐直接合成甘氨酸的方法。相较于热催化和电催化，光催化可以同时利用光生空穴和电子可以在半导体表面同时发生氧化和还原反应，这对于涉及多个氧化还原和C-N偶联步骤的小分子直接合成氨基酸具有独特的优势。

针对这一挑战，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心张彪彪课题组报道了在锐钛矿TiO₂类催化剂上直接从甲醇和硝酸盐高效光合成甘氨酸的体系，通过对中间产物和活性自由基的探测，揭示了详细的反应途径和机理。

具体而言，Ba²⁺-TiO₂催化剂可以实现高效耦合甲醇和硝酸盐制备甘氨酸，在最优体系下生成速率高达870 μmol g_cat^-1 h^-1。通过中间产物的监测和对比实验明确了具体的反应路径，包括甲醇偶联生成乙二醇、乙二醇选择性氧化到乙醛酸、硝酸盐选择性还原到氨以及乙醛酸与氨C-N偶联生成甘氨酸多个氧化还原反应。机理研究揭示了硝酸盐的关键作用，一定浓度的硝酸盐可以在辐照的二氧化钛悬浊液中产生硝基自由基并调节羟基自由基的释放速率，从而实现甲醇的偶联和进一步选择性氧化。

本项工作利用简单廉价的TiO₂型光催化剂成功实现了“液体阳光”甲醇和硝酸盐废物光转化为高值化学品甘氨酸。这一体系的研究也激发了我们进一步设想原始地球上氨基酸的形成途径，原始地球条件下存在的各种小分子，如甲醇和硝酸盐，可以在光照下通过半导体矿物产生氨基酸。