研 究 背 景

随着全球“双碳”目标的持续推进，将CO₂这一主要温室气体捕集并转化为高附加值燃料与化学品，已成为构建循环碳经济的核心战略。在众多CO₂资源化路径中，酶电合成（Enzymatic Electrosynthesis, EES）因兼具生物催化的分子级精准选择性与电催化的温和反应条件和低能耗优势，被视为极具前景的绿色合成技术。EES可将CO₂定向转化为甲酸（液态储能载体）、CO（合成气关键组分）、甲醇及氨基酸、脂肪酸等C₂₊高值产品，理论CO₂转化效率可达90%以上，远超传统热催化与单纯电催化路线。

然而，EES体系中酶活性中心与电极表面之间的高效电子传递始终是核心瓶颈。此外，酶在电化学环境下易失活、C₂₊产物合成路径复杂、系统整体能量效率偏低及规模化放大困难等问题，严重制约了EES的工业化进程。

因此，系统厘清不同固碳酶的电子传递机制、构建酶固定化与电极功能化的理性设计框架、引入人工智能加速酶与体系优化、拓展EES与微生物发酵及化学电催化的耦合路径，并开展全生命周期评价与技术经济分析，是推动EES从实验室走向规模化应用的核心关键。

成 果 介 绍

东南大学袁湘洲教授团队联合高丽大学Yong Sik Ok教授，系统梳理酶电合成（EES）在CO₂可持续转化中的多重功能应用与发展路径。文章梳理EES本征工作原理，并指出酶-电极界面电子传递距离受限、C₂₊产物合成路径复杂及系统放大困难等现实瓶颈，总结电极表面功能化、氧化还原酶工程等增强策略，并创新性引入机器学习与深度学习等数据驱动方法，探讨AI赋能EES的酶挖掘、定向进化与系统优化路径。并基于环境与经济分析，提出面向实验室走向商业化的发展方向。该成果以 "Enzymatic Electrosynthesis for Sustainable CO₂ Conversion: Advancing Circular Carbon Economy" 为题发表在Carbon Energy期刊上。

研 究 亮 点

1.系统对比三种酶耦合催化体系，确立EES技术优势

全面比较了酶-有机催化、酶-光催化与酶-电催化三大耦合体系的优劣。EES通过外加电位实现酶活性中心与电极表面的高效电子传递，具有反应速率可控、能量损失低、操作灵活等独特优势，远超传统催化路线。

2.深度解析不同固碳酶的电子传递机制，覆盖C₁到C₂₊全产物谱系

按照产物分类系统梳理了甲酸（C₁）、CO（C₁）、甲醇（C₁）及C₂₊高值产品等四类EES转化路径的电子传递机制。

3.构建电子传递增强策略的“决策框架”

针对EES体系中酶-电极界面电子传递效率这一核心瓶颈，论文提出了系统化的增强策略：（1）DET vs MET机制辨析；（2）酶固定化决策框架：根据长期稳定性优先或电子传递速率优先等不同目标，指导不同酶固定化策略的理性选择；（3）电极表面功能化：针对碳基电极和金属基电极采用相应策略强化电子转移；（4）酶工程：通过定点突变、定向进化以及人工伴侣纳米颗粒等方式强化电子转移。

4. 提出AI赋能EES的闭环设计路线

将机器学习（ML）与深度学习（DL）引入EES体系优化，提出“设计-构建-测试-学习”（DBTL）闭环框架：（1）酶挖掘：从宏基因组数据库中预测候选酶的EC编号、底物特异性；（2）ML指导定向进化：贝叶斯优化与主动学习大幅减少实验筛选轮次；电催化系统优化：监督学习预测最优电位、电解液组成；（3）生成式蛋白设计：从头设计满足EES需求的新型酶变体；（4）整合酶数据库与电化学参数，构建多模态统一数据库，实现催化电流密度、法拉第效率、产物收率等关键指标的预测优化。

5. 拓展EES功能边界—与其它催化系统耦合

针对EES产物种类受限问题，提出两大耦合策略：（1）EES+微生物发酵：EES将CO₂转化C₁中间体，作为微生物发酵底物合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）等可降解生物塑料，实现“CO₂→C₁→C_n”的全链条转化；（2）EES+化学电催化：化学电催化高效固定CO₂为C₁/C₂中间体，EES多酶级联发挥强C–C偶联能力，实现淀粉、药物分子等长链复杂化合物的制备。

6. 系统开展EES的环境影响与经济可行性分析

从生命周期评价（LCA）与技术经济分析（TEA）双维度评估了EES的实用化前景：（1）环境效益：在EES的全流程中指出产生环境影响的关键步骤，并提出相应的减碳策略；（2）经济可行性：指出酶固定化、反应器设计优化、电子传递效率提升是降本关键，政策激励与碳定价将长期推动EES商业化。

图 文 解 析

图1 大气CO₂浓度变化趋势与酶电合成（EES）技术发展历程

图2  三种酶耦合体系示意图

图3  不同的固碳酶中电子转移机制

图4  酶固定化技术示意图

图5  电子转移强化策略

图6  人工智能（AI）驱动的酶电合成（EES）技术发展路线图示意图

图7  酶电合成（EES）系统的集成应用

图8  基于数据驱动方法的多变量优化流程示意图

图9  酶电合成（EES）在CO₂利用中的前景

研 究 小 结

EES从实验室走向工业化需跨越从分子设计到反应器级的全尺度鸿沟，未来应重点聚焦四大方向：

1.高效酶分离纯化技术：开发过程集成与纯化策略，降低分离能耗，实现高纯度产品的节能回收；

2.低成本多孔生物炭基电极：提升导电性、酶负载量与耐久性，同时降低整体成本；

3.酶与电催化组分兼容性提升：优化界面微环境，确保酶在电化学条件下的活性与稳定性；

4.集成系统放大：推动从实验室规模到工业示范的跨越，结合成本降低、设施建设与政策激励，实现EES在绿色工厂、可持续能源与环境治理中的规模化部署。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Enzymatic Electrosynthesis for Sustainable CO₂ Conversion: Advancing Circular Carbon Economy

文章研究方向：

电催化— —酶电催化CO₂还原

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70318

DOI: 10.1002/cey2.70318

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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