近日，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院教授費強團隊成功構(gòu)建太陽能驅(qū)動的生物光催化耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)將甲烷和CO2協(xié)同轉(zhuǎn)化為4-羥基苯甲酸和氫氣，為分散式一碳資源高值化利用、碳減排與可再生能源開發(fā)提供了全新技術(shù)路徑，彰顯了生物合成與光催化技術(shù)融合的巨大潛力。相關(guān)成果作為熱點文章在《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表。
光驅(qū)動耦合體系轉(zhuǎn)化甲烷與CO2聯(lián)產(chǎn)氫氣和4-羥基苯甲酸。西安交通大學(xué)供圖
我國沼氣、焦?fàn)t氣等分散式一碳?xì)怏w資源豐富，但其單點規(guī)模小、分布分散且伴生大量CO2，難以通過傳統(tǒng)熱催化方式實現(xiàn)經(jīng)濟高效資源化利用。近年來，以生物制造為代表的溫和轉(zhuǎn)化技術(shù)展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。好氧性甲烷氧化菌（嗜甲烷菌）能夠直接將甲烷轉(zhuǎn)化為生物基產(chǎn)物，適配分散式氣源的現(xiàn)場轉(zhuǎn)化需求。然而，甲烷生物轉(zhuǎn)化過程中存在還原力供應(yīng)受限、代謝副產(chǎn)物碳損失等問題，制約了其整體碳原子經(jīng)濟性與產(chǎn)物收率。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地構(gòu)建了生物—光催化耦合系統(tǒng)。首先通過合成生物學(xué)技術(shù)調(diào)控嗜甲烷菌體內(nèi)的甲烷同化途徑，以優(yōu)化甲酸積累和4-羥基苯甲酸合成途徑之間的碳通量分配。同時，團隊設(shè)計了具有生物相容性的光催化劑金屬配合物，可在細(xì)胞生長條件下以甲酸為光催化底物和電子空穴猝滅犧牲劑，高效生成氫氣和光生電子。其中光生電子作為還原力補充，驅(qū)動嗜甲烷菌體內(nèi)的甲烷氧化與4-羥基苯甲酸合成。
為進一步降低系統(tǒng)碳排放，研究團隊還構(gòu)建了人工固碳途徑，實現(xiàn)了光催化過程釋放CO2的高效回收，增強了全體系的碳原子經(jīng)濟性。通過整合光催化與生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，不僅利用可再生能源實現(xiàn)甲酸脫氫，還通過光生電子的定向傳遞解決了嗜甲烷菌還原力不足的核心瓶頸。
在最優(yōu)條件下，該集成系統(tǒng)實現(xiàn)了4-羥基苯甲酸產(chǎn)量達(dá)472.36微克每升，氫氣得率達(dá)0.59 毫摩爾氫氣每摩爾甲烷，系統(tǒng)整體碳減排程度超過50%。這一進展成功攻克了甲烷與CO2協(xié)同轉(zhuǎn)化中碳通量分配調(diào)控、光催化與生物體系兼容、碳封存效率提升、嗜甲烷菌細(xì)胞工廠還原力供給不足等關(guān)鍵難題，建立了分散式甲烷氣源高值化利用的可行技術(shù)方案。
該成果精準(zhǔn)對接“雙碳”目標(biāo)與可再生能源發(fā)展需求，既實現(xiàn)了分散式一碳資源的高效利用，又能聯(lián)產(chǎn)清潔燃料和精細(xì)化工品。其核心技術(shù)不僅拓展了嗜甲烷菌細(xì)胞工廠的應(yīng)用邊界，更推動了生物制造與光催化技術(shù)的交叉融合，為構(gòu)建可持續(xù)、碳中性的技術(shù)框架提供了重要支撐，有望廣泛應(yīng)用于化工、能源等工業(yè)領(lǐng)域，助力綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型。
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