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ICM综述 | 华南理工大学曹宇飞教授团队：电催化CO₂还原耦合生物催化制备高附加值产物

已有 393 次阅读 2026-5-27 15:37 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

CO₂的资源化利用不仅有助于缓解温室气体排放，还能够为燃料、材料及食品、医药配料提供可再生原料。近年来，电催化 CO₂还原技术因能利用可再生电力，在温和条件下实现 CO₂向 C₁–C₃高效转化而受到广泛关注；然而，随着目标产物碳链长度的增加（如C₃–C₅产物），纯电催化方法在产物选择性和整体转化效率方面均面临显著限制。相比之下，微生物发酵和多酶级联等生物催化过程，在将简单碳源转化为复杂高附加值产物方面具有突出的效率，并能够实现对分子结构及立体化学的精准调控。但大多数生物体对 CO₂的固定效率较低，且纯生物转化路线受限于热力学条件与酶动力学特性。

基于此，将电催化与生物催化相耦合既能够利用电化学转化所具备的高驱动力与快速反应动力学优势，又能够保留生物催化优异的选择性与合成灵活性，成为 CO₂资源化利用的新兴研究热点。在此耦合催化体系中，电催化模块首先将 CO₂还原为简单的C₁–C₃中间体，随后通过生物催化进一步实现碳链延伸与复杂分子的组装，生成更高附加值的产物，为 CO₂向燃料、化学品、食品的高效转化提供新思路。

华南理工大学曹宇飞教授团队综述了将电催化与生物催化耦合用于CO₂转化的研究进展，阐明了两种策略协同互补的优势。文章首先回顾了该类耦合体系的发展历程与研究动因，总结了电催化 CO₂/CO 转化为 C₁–C₃ 中间体的最新进展，并概述了利用生物催化策略将短链原料进一步延伸为高附加值 C_n 产物的方法。随后，重点讨论了催化剂稳定性、代谢通路与菌株工程以及工艺放大等方面所面临的挑战，并提出了推动电-生物合成制造发展的未来方向。

图文摘要

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Electrocatalytic CO₂ reduction coupled with biocatalysis for high-value products。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D5IM00356C

本文亮点

★ 综述了耦合电催化与生物催化平台的理论基础及级联架构在概念与应用层面的优势；

★ 总结了电催化CO₂还原为C₁–C₃ 中间体的最新进展和用于碳链延伸的生物催化策略；

★ 讨论了电催化与生物催化界面耦合过程中面临的关键挑战，并提出未来研究方向。

图文解读

Table of Contents

1. Introduction

引言

2. Background and early developments in CO₂ conversion

二氧化碳转化的研究背景与早期发展

2.1. Electrocatalytic conversion of CO₂ to C₁–C₃ compounds

二氧化碳电催化转化制备 C₁–C₃ 化合物

2.2. Biocatalytic carbon chain elongation from C₁/C₂ to C_n products

生物催化碳链延长：由 C₁/C₂ 到 C_n 产物的转化

2.2.1. In vitro multi-enzyme cascade synthesis

体外多酶级联合成

2.2.2. Microbial routes for C₁/C₂ assimilation and product synthesis

C₁/C₂ 同化与产物合成的微生物途径

3. Design of the coupled electro biocatalysis cascade system

电催化–生物催化耦合级联系统的设计

3.1. Key factors for effective coupling

实现高效耦合的关键因素

3.2. Studies on electro-biocatalysis cascade systems

电催化–生物催化级联系统的研究进展

4. Challenges and future directions

挑战与未来发展方向

总结与展望

尽管CO₂电-生物催化转化近年来取得了重要进展，但该领域仍处于发展初期，实现规模化与工业化应用仍面临多方面挑战。未来研究可重点围绕以下四个方向展开：1）提升整体能量效率，2）反应器放大与结构重构，3）生物催化剂工程与中间体选择，4）控制集成、CO₂来源与可持续性。

总体来看，电-生物催化级联体系融合了电化学快速供能与生物体系高效碳转化的优势，在燃料、化学品及高附加值产物合成方面展现出广阔前景。随着材料科学、合成生物学及系统工程的持续发展，该领域有望推动形成以绿色能源驱动、将CO₂转化为高价值产品的新型可持续工业模式。

编辑/排版：ICM编辑部

文章信息

W. Qiao, Y. Zhang, B. Wu, C. Zhang, W.-Y. Lou and Y. Cao, Electrocatalytic CO₂ reduction coupled with biocatalysis for high-value products, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D5IM00356C.

作者简介

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通讯作者

曹宇飞，华南理工大学副教授，博士生导师。主要从事酶催化与化学催化复合、酶分子理性设计、电催化、计算化学等研究。已在Nature Chemistry、Nature Catalysis、Nature Synthesis、Nature Communications（4篇）、Angewandte Chemie International Edition、JACS Au、ACS Nano、ACS Catalysis等期刊上发表SCI论文30余篇。

课题组长期招收具有相关背景的博士后和博士研究生，欢迎进行咨询。主页：https://www2.scut.edu.cn/sp/2023/1012/c11282a521244/page.htm；邮箱：yufeicao@scut.edu.cn

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期刊简介

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