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米测MeLab

2025-10-24

第一作者：Chengbo Li, Mingming Guo

通讯作者：Xiang Gao (高翔), Chuan Xia (夏川)

通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院、电子科技大学

研究要点

本研究构建了一套完整的人工海洋碳循环系统（图1），通过电化学捕获与生物催化相结合的耦合策略，将海水中溶解的无机碳高效转化为可生物降解塑料单体——琥珀酸。该系统在极低浓度溶解无机碳的自然海水中实现了高捕获效率、低能耗和长期稳定运行，并进一步通过高效铋基电催化剂将捕获的CO₂转化为纯甲酸，最终利用工程化海洋细菌将其发酵为琥珀酸，为实现海洋碳负排放和循环碳经济提供了可行路径。

图1. 人工海洋碳循环系统

一、研究背景

随着全球二氧化碳排放量持续攀升，开发既能实现碳减排又能将碳资源化的技术路径迫在眉睫。海洋作为地球上最大的碳汇，每年吸收约26%的人为CO₂排放，其碳储量约为大气的140倍。然而，海洋酸化问题日益严重，天然生物碳汇的能力已接近饱和，亟需发展人工干预的海洋碳捕集与转化系统。

传统的海洋直接碳捕集技术面临稳定性差、能耗高、依赖软化海水等问题，限制了其与下游转化过程的集成。此外，将捕集的CO₂高效、选择性地转化为具有经济价值的化学品，尤其是可直接替代石化产品的“嵌入式”生物化学品，是实现碳循环经济的关键。

二、研究思路

1.构建电化学-生物催化耦合系统

本研究提出并验证了一个三模块集成系统（图2）：

模块一：基于固体电解质的电化学海洋碳捕集系统，实现从自然海水中高效、稳定地提取CO₂。

模块二：利用高效铋基催化剂在固体电解质反应器中将CO₂电还原为高纯度甲酸。

模块三：通过代谢工程改造的海洋细菌Vibrio natriegens，以甲酸为唯一碳源发酵生产琥珀酸。

该系统的核心创新在于将电化学过程的“能量驱动”与生物催化过程的“高选择性”相结合，实现了从海水CO₂到高附加值化学品的全链条转化。

图2. 电化学-生物催化耦合系统

2.电化学碳捕集系统的突破：高稳定性与低能耗

(i)传统系统的局限与新型反应器设计

传统的双极膜电渗析系统在运行中易受膜污染、电极劣化和盐沉淀等问题影响，连续运行时间仅为1.6至10小时。本研究设计了一种五腔室固体电解质反应器（图3），通过物理隔离海水与电极室，有效防止了离子交换导致的膜膨胀和沉淀形成。该设计还实现了海水酸化和碱化步骤的解耦，并使用原位生成的纯碱液恢复海水pH，使其可安全回放海洋。

(ii)性能表现

在自然海水初始DIC浓度为2.16 mM的条件下，该系统在536小时内连续运行，CO₂捕获效率超过70%，能耗仅为3 kWh·kgCO₂^-1，累计从177升海水中回收6.54升高纯度CO₂气体。技术经济分析显示，其碳捕集成本约为229.9美元/吨CO₂，具备较强的经济竞争力。

图3. 电化学碳捕集系统的性能

3.高效铋基催化剂推动CO₂至甲酸的电还原

(i)催化剂设计与结构表征

为提高催化剂的活性和稳定性，研究团队以天然产物鞣花酸为配体，构建了铋基金属有机框架材料，并通过电化学原位重构形成负载于MOF基质上的铋纳米晶（图4）。通过X射线吸收光谱、原位拉曼和电子显微镜等手段，确认了在还原电位下Bi(III)被部分还原为金属态Bi(0)，并形成了有机配体修饰的活性表面结构。

(ii)催化性能与机理分析

在流动池中，Bi-BEN催化剂在-1.37 V vs. RHE下可实现720 mA·cm^-2的甲酸分电流密度，法拉第效率超过90%，并在200 mA·cm^-2下稳定运行23小时（图5）。机理研究表明，鞣花酸的引入增强了HCOO*中间体的稳定性，降低了CO₂还原为甲酸的能垒，同时抑制了析氢副反应。

(iii)纯甲酸的连续制备

为进一步避免后续生物发酵中的盐抑制问题，研究采用固体电解质反应器直接生产纯甲酸溶液，在25 cm²电极上连续运行480小时，成功获得20.16升浓度为0.45 M的高纯度甲酸溶液（图6）。

图4. 催化剂设计和结构表征

图5. 催化性能与机理分析

4.微生物发酵：从甲酸到生物塑料单体

(i)菌株工程与代谢路径构建

选用生长速率极高的海洋细菌Vibrio natriegens作为宿主，通过引入来自Methylobacterium extorquens的甲酸-四氢叶酸循环关键酶，构建了能够以甲酸为唯一碳源生长的工程菌株XG251（图6）。

(ii)发酵性能与放大验证

在摇瓶条件下，XG251菌株成功将甲酸转化为琥珀酸，产量达1.13 g·L^-1。进一步在5升发酵罐中放大后，琥珀酸产量提升至1.37 g·L^-1，转化率为0.15 g琥珀酸/g甲酸，且过程中副产的乳酸也可作为聚乳酸的前体，体现了系统的多功能性。

(iii)碳溯源验证

通过使用¹³C标记的甲酸进行发酵实验，证实琥珀酸中84%的碳原子来源于甲酸，验证了碳从海水CO₂到最终产品的完整转化路径（图7）。

图6. 甲酸的电化学生产和微生物转化为琥珀酸

图7. 利用二氧化碳合成的甲酸盐进行微生物生产琥珀酸

5.系统集成与产品验证

研究团队进一步将所获得的生物基琥珀酸与1,4-丁二醇缩聚合成了聚丁二酸丁二醇酯，其性能与石化来源的PBS相当，证明了该系统所产单体可直接用于生物降解塑料的合成，具备实际工业应用潜力。

三、小结

本研究成功构建了一个从海洋碳捕集到生物塑料单体合成的全链条电化学生物耦合系统，展示了其在碳负排放和绿色化工中的巨大潜力。该系统不仅具备高效率、低能耗和长期稳定性，还通过模块化设计实现了与可再生能源驱动的离岸系统的兼容性。未来，通过进一步优化催化剂、菌株和反应器集成，该技术有望成为推动海洋碳资源化利用和实现循环碳经济的重要平台。

原文详情

Chengbo Li, Mingming Guo, Bo Yang et al. Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers. Nature Catalysis(2025). 

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01416-4