电子科大/深圳先进院合作，最新Nature大子刊！

随着全球二氧化碳排放量持续攀升，构建兼顾经济可行性与环境友好性的循环碳经济模式迫在眉睫。海洋作为地球上最大的碳库，吸收了约26%的人为CO2，其碳储量约为大气的140倍。然而，大气CO2浓度快速上升已导致海洋酸化，破坏生态平衡，而自然生物碳汇能力有限且易受环境扰动。为此，开发人工海洋碳捕集与转化系统成为关键。电化学直接海洋捕碳技术虽具潜力，却面临膜污染、电极退化、盐沉淀等稳定性问题，现有设备连续运行时间仅为1.6–10小时，严重制约其与下游转化技术的集成与应用。

鉴于此，电子科技大学夏川教授与中国科学院深圳先进技术研究院高翔教授提出了一种人工海洋碳循环系统，通过解耦的电-生物催化混合过程，将海洋中的溶解无机碳高效转化为高附加值生化品。该系统在真实海水条件下（DIC浓度约2.16 mM）实现了CO₂的高效捕集（效率>70%），能耗低至3 kWh kgCO₂⁻¹，并具备长达536小时的连续运行稳定性。技术经济分析显示其捕集成本为229.9美元/吨CO₂，具备市场竞争力。捕获的CO₂通过高效铋基电催化剂转化为纯甲酸，并进一步由工程化海洋细菌Vibrio natriegens转化为琥珀酸，产量达1.37 g l⁻¹，为生物塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的关键前体。该系统为实现以海洋碳汇为资源的可持续生化合成提供了可行路径。相关研究成果以题为“Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers”发表在在最新一期《nature catalysis》上。

夏川，电子科技大学教授、博士生导师、国家青年人才计划入选者。曾获中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国颗粒学会自然科学奖一等奖、中国化学会青年化学奖、四川青年五四奖章、德国Falling Walls科学技术突破奖、成电先进科研工作者等荣誉。他是“双碳”领域知名青年学者，主持多项国家和省市级关键项目，在二氧化碳电化学转化方向取得重大原创性突破，在国际上首次提出并构建了二氧化碳固态电解质电解技术、提出了“无机催化-生物催化杂合”概念。解决了二氧化碳电解产物分离提纯和C-C偶联困难的问题，在全球范围内首次实现二氧化碳到葡萄糖和油脂的人工合成，被人民日报、央视新闻、中新社等广泛报道。近5年以第一作者/通讯作者身份在《科学》《自然-能源》《自然-催化》《自然-化学》《自然-纳米技术》等国际一流期刊发表论文30余篇，所取得的一系列成果在国际上具有广泛影响，被科睿唯安连续两年评为全球高被引科学家（2023，2024）。

【从海水中捕获二氧化碳】

研究者设计了一种基于固体电解质的eDOC系统（图1），成功解决了传统双极膜电渗析（BPMED）系统中膜溶胀、电极污染和盐沉淀等问题。该系统由五个腔室组成（图2a），通过双极膜和离子交换膜实现海水酸化与碱化的解耦操作。在pH低于4.92时，超过90%的DIC转化为CO₂（图2b）。通过调节电流密度与海水流速，系统可稳定输出高纯度CO₂，无N₂、O₂等杂质气体（图2d）。在6 mA cm⁻²电流密度下连续运行536小时，系统累计从约177升海水中回收约6.54升纯CO₂，捕集效率维持在约70%，能耗约为3 kWh kgCO₂⁻¹（图2f）。此外，系统每回收1摩尔CO₂可联产约0.9摩尔氢气，具备显著经济潜力。

图 1.拟议的人工海洋碳捕集和升级再造系统

图 2. 使用我们的固体电解质电解槽从海水中捕获 CO2

【CO2电解】

作者开发了一种以鞣花酸（EA）为连接体的铋基金属有机框架催化剂（Bi-BEN），通过电化学原位重构形成有机配体修饰的铋纳米晶（图3a）。该催化剂在CO₂还原反应（CO₂RR）中表现出高选择性与稳定性：在-0.83至-1.37 V（相对于可逆氢电极，RHE）电位范围内，甲酸法拉第效率（FE）超过90%，最高达96%（图4a），甲酸分电流密度达720 mA cm⁻²（图4b），优于多数已报道的铋基催化剂（图4c）。连续电解23小时后，甲酸FE仍保持约95%（图4d）。通过原位X射线吸收光谱（XAS）、拉曼光谱与衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）等表征手段，研究者证实EA配体通过稳定HCOO*中间体，增强CO₂吸附并抑制析氢反应（HER），从而提升甲酸生成动力学（图4g,h）。

图 3. Bi-BEN 的结构表征

图 4. Bi-BEN 和 Bi NPs 的 CO2RR 性能和机理研究

【微生物将甲酸盐作为发酵的唯一碳源】

为解决传统电解液中甲酸盐含盐量高的问题，研究者采用固体电解质反应器直接生产纯甲酸（HCOOH）。在4 cm²电极上，75 mA cm⁻²电流密度下甲酸法拉第效率达92%（图5b）。放大至25 cm²电极后，系统在1.2 A电流下连续运行480小时，稳定产出约20.16升、浓度0.45 M的纯甲酸溶液（图5c,d）。该甲酸作为唯一碳源，供给经工程改造的Vibrio natriegens菌株XG251，通过引入外源甲酸-四氢叶酸（THF）循环途径（Ftl-Fch-Mtd），实现琥珀酸的高效合成。在5升发酵罐中，琥珀酸产量达1.37 g l⁻¹，转化率为0.15 g g⁻¹ HCOOH（图6h），优于以往以C₁底物为唯一碳源的生物合成系统（图6c）。此外，系统副产乳酸0.25 g l⁻¹，可作为聚乳酸前体，进一步拓展产品链。

图 5. 甲酸的电化学生产和微生物转化为琥珀酸盐

图 6. 使用由 CO2 合成的甲酸盐进行琥珀酸的微生物生产

【总结】

本文成功构建了一套集海洋CO₂捕集、电催化转化与微生物发酵于一体的混合电-生物合成系统。该系统不仅实现了从海水中高效、稳定地捕获CO₂，并借助高性能铋基催化剂与固体电解质反应器连续生产纯甲酸，最终通过工程菌株将甲酸转化为生物塑料单体琥珀酸，并在升尺度发酵中保持高产率。作为概念验证，研究者进一步利用所得琥珀酸合成了高质量的PBS塑料。该工作为海洋碳资源的可持续利用与负碳排放技术提供了全新路径，有望推动以海洋碳汇为基础的大规模碳负性产品开发，助力实现循环碳经济愿景。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！