生产高价值的长链碳氢化合物一直是电化学CO₂/CO还原反应（CO₂RR/CORR）的一个挑战。尽管通过电化学还原CO₂/CO可以产生C₂以上的液体产品，如乙酸盐、乙醇和丙醇，但目标碳链长度超过四个碳的产品变得更困难。生物合成系统可以将CO₂/CO升级为长链碳燃料和化学品，如正丁醇和聚酯。然而，当这些生物系统直接以二氧化碳或低品质CO₂RR产品为原料时，其整体能源效率和碳利用率可能会降低，使得该过程在经济上或实际操作中并不可行。

 

为解决这一问题，来自莱斯大学汪淏田教授、加州大学洛杉矶分校刘翀教授、德克萨斯大学奥斯汀分校刘远越教授、威斯康星大学麦迪逊分校Andrea Hicks合作，展示了一个多孔固体电解质反应器，可以产生高选择性和无电解质的醋酸酯，并将其与生物合成系统偶联，无需额外的分离或盐混合过程，从而生成C4+聚羟基丁酸生物塑料（PHB）。该工作以题为“Upgrading carbon monoxide to bioplastics via integrated electrochemical reduction and biosynthesis”于8月28日发表在《Nature Synthesis》上。

 

 

成果简介

 

该研究展示了一种多孔固体电解质反应器，该反应器能够高选择性地产生无电解质的乙酸盐，并将其与下游生物合成系统相结合，生成C4+聚羟基丁酸生物塑料。通过在银掺杂的Cu₂O纳米立方体催化剂的帮助下，研究人员实现了超过150 mM的高纯度乙酸产物，且无需额外的分离或纯化过程。

 

研究亮点

• 多孔固体电解质反应器的设计：开发了一种多孔固体电解质（PSE）电解器，能够在不经过任何后处理的情况下，直接生成用于生物合成的乙酸盐。

• 银掺杂Cu₂O催化剂的使用：研究中使用了银掺杂Cu₂O纳米立方体（NC）作为催化剂，显著提高了乙酸盐的选择性，并减少了氢气生成反应（HER）和其他副产品的产生。

• 生物反应器中的高效PHB生产：通过优化电解质成分，使Ralstonia eutropha细菌在电化学产生的乙酸盐中高效生长，并成功生成了PHB生物塑料。

• 生命周期评估分析：通过生命周期评估（LCA）方法，研究了生物塑料生产过程中的环境和人类健康影响，结果表明该方法在减少碳排放和实现碳中和方面具有显著潜力。

 

配图精析

 

图1: 多孔固体电解质（PSE）电解器示意图

 

图1展示了PSE电解器的整体设计，该装置通过使去离子水和优化的矿物盐介质流经中间层，生成了纯乙酸和电解质溶液，这些溶液可以直接用于生物合成。

 

图2: 银掺杂Cu₂O纳米立方体（NC）的形貌特征和电化学性能

 

图2展示了银掺杂Cu₂O NCs的形貌特征及其在CO电化学还原反应（CORR）中的性能。低放大倍率TEM图像显示了掺银前后Cu₂O NCs的形貌变化，高放大倍率TEM图像则展示了Cu₂O(200)晶面及掺银位置。电化学性能测试表明，在-2.021 V的电压下，银掺杂Cu₂O NCs的乙酸盐生成率达到了260 mA cm²，法拉第效率为65%±2%。

 

图3: 银掺杂Cu₂O NCs的结构表征

 

图3通过XRD、XPS和XAS等技术表征了电化学反应前后银掺杂Cu₂O NCs的结构变化。研究表明，银掺杂并未阻碍铜转化为金属态的过程，反而有助于形成CORR的主要活性位点。

 

图4: 通过DFT计算进行的反应机制研究

 

图4通过密度泛函理论（DFT）计算，探讨了银掺杂Cu₂O NCs的反应机制。研究发现，银掺杂在Cu₂O NC表面的不同位置能够显著降低反应的活化能，从而提高乙酸盐生成的选择性。

 

图5: 电化学还原与生物合成的集成及生命周期评估

 

图5展示了通过集成电化学还原与生物合成生成PHB的过程，并通过生命周期评估（LCA）分析了该工艺的环境影响。结果表明，该技术不仅可以减少石油基塑料的环境影响，还对实现碳中和具有重要贡献。

 

展望

 

该研究成功展示了通过电化学还原一氧化碳并将其直接用于生物合成生产高价值生物塑料的可能性。这种方法不仅提高了碳的利用效率，还展现出显著的环境优势。未来的研究可以进一步优化反应器设计和催化剂性能，以提高整体效率，并探索该技术在工业规模上的应用潜力。