Nat Catal | 从海水“捕碳造物”——高翔/夏川团队打通人工海洋碳循环新路径

2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与电子科技大学夏川课题组合作，在Nature Catalysis上发表了题为Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。团队率先提出并验证人工海洋碳循环系统：面向天然海水场景高效捕集CO2，电催化制备可进入生物制造的平台中间体，再经工程化微生物升级转化为高价值分子与材料。研究以可降解材料单体为示范，凸显“捕碳造物”的平台能力与可扩展性，为我国“蓝色经济”、双碳目标与绿色低碳技术创新提供新路径。

海洋作为地球最大的碳汇，每年吸收逾四分之一人为排放的二氧化碳，是维系全球气候稳定和碳循环的重要天然缓冲器。然而，随着大气中二氧化碳浓度的持续上升，不仅加剧了气候变化，并且海洋因大量吸收二氧化碳而出现酸化现象，威胁海洋生态安全。如何把已入海的碳资源化并减缓酸化，是海洋治理与绿色制造的共同命题。

此次研究团队自主研发电解装置，可在真实海水环境下连续稳定运行超过500小时，以较低的能耗高效捕获海水中的二氧化碳；所捕获碳源经电催化转化为高纯甲酸，再由工程化海洋微生物升级为琥珀酸等平台分子。以琥珀酸为例，团队完成了材料端示范（如可降解塑料PBS制备），用以验证从“海水捕碳—平台中间体—生物升级—终端应用”的端到端可行性；所获替代型生物化学品在性质上与石化同类一致，体现可持续的海洋碳资源利用路径。该研究验证了“以海治碳”的技术可行性，也为我国推进海洋碳汇资源化提供了范例。面向应用，随着技术优化与规模化推进，有望在近海实现“边捕碳、边产料”的一体化布局，带动绿色分子与材料产业发展，促进蓝色经济高质量增长。该工作紧扣“双碳”与“蓝色经济”方向，为气候治理、生态保护与绿色产业提供新方案，彰显了中国科研团队在全球绿色低碳科技创新中的担当与贡献。

研究团队提出“人工海洋碳循环系统”的总体思路。该系统包括两个关键环节：首先，通过新型的电解装置直接从海水中捕集二氧化碳，有效避免了电极钝化和盐类沉积等问题，实现长期稳定运行；其次，将捕获的二氧化碳通过电化学与生物催化过程，转化为可替代化石工业来源的生物化学品。该路径贯通了从“海水捕碳”到“绿色分子与材料”的全链条，以可降解塑料单体为示范，凸显其在碳循环、资源利用和环境治理中的战略意义（图1）。

图1 | 拟建的人工海洋碳捕集与循环利用系统

研究团队开发了一种用于海水碳捕集的装置，并在结构设计与运行稳定性方面取得了突破。该装置能够以天然海水为原料实现连续二氧化碳捕集，在实际条件下稳定运行超过500小时，显著提升了系统的可靠性。实验结果显示，该装置的碳捕获效率超过70%，并可同步副产氢气；其捕获每吨二氧化碳的成本仅为229.9美元，展现出潜在的经济竞争力。该成果不仅验证了直接利用天然海水实现持续“捕碳”的可行性，也为将海洋碳汇转化为绿色分子与材料、推动海洋经济发展提供了新的可能性。

研究团队通过两步法成功合成了Bi-BEN（铋基金属有机框架衍生）催化剂。首先经溶剂热反应制备铋基金属有机框架材料，随后在电化学原位重构过程中形成由有机配体修饰的Bi纳米颗粒。通过单晶衍射、X射线吸收光谱等多种表征手段系统验证了其结构特征，确认了该催化剂材料在实际工况条件下的真实结构。

研究团队系统对比了Bi-BEN与未修饰Bi纳米颗粒催化剂在二氧化碳电还原反应（CO2RR）中的性能差异。结果表明，Bi-BEN催化剂具有较高的催化活性和甲酸选择性，在720 mA cm-2的甲酸偏电流密度下仅需-1.37 V（相对于可逆氢电极）的过电位，并且稳定性得到明显提升。进一步结合原位光谱与理论计算分析发现，Bi-BEN 的优越性能源于有机配体对关键反应中间体HCOO*的稳定作用，从而协同提升了催化剂的活性、选择性和稳定性。

为验证依托海洋资源发展海洋经济、利用海水制造绿色材料的可行性，研究团队构建了电催化和生物催化的耦合过程，并以生物塑料为示例完成从捕碳到终端制品的贯通示范。首先，利用Bi-BEN催化剂并通过放大固态电解反应器获得高浓度的纯甲酸溶液，并在连续运行20天内保持稳定产出。随后，工程化的海洋细菌Vibrio natriegens（需纳弧菌）能够以甲酸为唯一碳源实现高效生长，并将其进一步转化为琥珀酸和乳酸。该“电催化+合成生物学”的耦合策略首次实现了海水碳捕集与生物塑料原料生产的衔接，形成面向多产物的通用平台，为跨学科融合提供了新范式。

为验证以二氧化碳合成的甲酸作为唯一碳源生产琥珀酸的工业可行性，研究人员系统展示了完整的生产过程：通过碳同位素（13C）标记实验明确证实琥珀酸碳源来自甲酸；在1L与5L发酵罐完成从摇瓶到中试级的放大验证。过程中产生的乳酸产物亦具备材料与化学品价值，提示路线具备并联多产物潜力。结果表明，该系统具备实际放大与产业化可行性，标志着向“边捕碳、边产料”一体化模式迈出关键一步。

图2 | 电催化+生物催化捕获海水中的碳用于合成多种塑料产品的示意图

该研究由中国科学院深圳先进技术研究院和电子科技大学等单位合作完成，电子科技大学博士生李成博为第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院博士生郭明明为共同第一作者；夏川教授为最后通讯作者，高翔副研究员为共同通讯作者。

项目负责人夏川教授和高翔副研究员表示：“我们希望通过这项技术，把海洋丰富的碳资源转化为绿色高价值产品，实现碳减排、资源利用和产业升级的多重目标。这也是我国落实碳达峰碳中和战略、建设海洋强国的重要科技支撑。”

https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4

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