光驱动二氧化碳酶促加氢系统仿生构建与性能强化

Development of mild and efficient CO2 conversation technologies is vital for the utilization of carbon resources. At present, the catalytic hydrogenation of CO2 is generally conducted under harsh conditions with high energy consumption, which also suffers from low efficiency and poor selectivity. In nature, diatom could efficiently and selectively catalyze the hydrogenation of CO2 under mild conditions by integrating CO2 concentrating mechanism and biocatalysis driven by solar energy. Inspired by the capsular structure of diatom and CO2 hydrogenation mechanism in diatom, we propose the research project of “Bioinspired construction and performance intensification of photo-driven enzymatic CO2 hydrogenation system”. We focus on the construction of microcapsule-based photo-driven CO2 hydrogenation system to integrate multiple catalyst components and reaction processes: 1) regeneration of NADH by semiconductor photocatalysis, providing hydride and electrons; 2) concentrating CO2 through the interconversion between HCO3- and CO2 catalyzed by carbonic anhydrase (CA); and 3) efficient and selective hydrogenation of CO2 catalyzed by formate dehydrogenase (FDH). Three key scientific issues need to be addressed in this project: 1) coordinated optimization mechanism of multiple catalytic components during construction process; 2) coordinated optimization mechanism of multiple catalytic processes during reaction process; and 3) coordinated optimization mechanism of the construction and reaction process. Hopefully, this project could promote the efficiency of biocatalyzed CO2 hydrogenation, provide new avenue for CO2 utilization, and help to reveal to the mechanism of photo-driven carbon metabolism in marine microalgae.

开发温和、高效的CO2催化转化技术，是实现碳资源循环利用重要途径之一。目前，CO2加氢催化剂存在效率低、选择性差等问题，且反应条件苛刻，过程能耗较大。海洋硅藻细胞通过光合作用，以太阳能为驱动力，耦合生物（酶）催化反应和CO2富集机制，可在温和条件下实现CO2高效、高选择性转化。受硅藻细胞囊状结构及固碳机制启发，本项目提出“光驱动CO2酶促加氢系统仿生构建与性能强化”课题，构建微囊型CO2酶促加氢系统，集成并协调优化多种催化组分及多个催化过程：1）半导体纳米晶体（可见光）催化NADH再生还原，提供[H]和电子；2）碳酸酐酶催化HCO3-/CO2间高效转化，富集分子态CO2；3）甲酸脱氢酶催化CO2高效、高选择性转化。重点协调优化系统构建过程中多催化组分、系统反应过程中多催化过程、以及系统构建过程与反应过程。本项目开展，有望为CO2资源化利用提供新途径，为揭示海洋生物光合固碳机制提供理论指导。

绿色生物制造是解决能源资源危机，实现可持续发展的重要支撑，为国家重点发展方向。开发太阳能驱动的绿色生物制造技术，在构建能源和过程工业新格局方面具重要前景。本项目基于生物启发思想，从系统工程和介科学层面剖析硅藻细胞及叶绿体结构和功能，提出了基于光驱酶催化（亦称酶-光偶联）构建人工光合系统新思路，建立了微囊协调酶-光偶联过程平台方法，揭示了酶-光偶联催化过程新机制，实现了CO2高效转化。.具体针对半导体催化辅酶再生、固定化酶催化CO2转化、光催化-酶催化竞争/协调等过程进行了酶-光偶联催化系统仿生构建与性能强化方面的研究。1）构建了核壳型光催化辅酶再生系统，阐释了催化剂结构的形成和调控机制、结构特征-光物理过程-催化性能间的内在关系，实现了辅酶再生过程的性能强化，辅酶再生性能达7.7 mmol g-1 h-1；2）构建了微囊型酶催化系统，阐释了微囊结构的形成和调控机制、微囊结构-酶微环境-催化性能间的内在关系，实现了酶催化过程的性能强化，固定化酶活性稳定性均显著提升；3）构建了酶-光偶联CO2催化转化系统，阐释了集成催化系统构建过程-反应过程的耦合关系，实现了光-酶催化过程协调优化和CO2酶促加氢合成甲酸和甲醇过程的高效强化。.以（共同）第一或（共同）通讯作者身份在ACS Catalysis（8篇）、Chemical Society Reviews（2篇）、ACS Sustainable Chemistry & Engineering（2篇）等期刊发表SCI论文19篇（均标注基金）。申请国家发明专利3项，其中授权1项。培养（已毕业）博士生2名，硕士生5名。以本项目研究成果为主要支撑，获2020年天津市自然科学奖一等奖（负责人排名第2）。获批国家优秀青年科学基金项目、国家重点研发计划青年项目等国家重大科研项目。入选美国化学会2019 I&EC Research有影响力学者榜单、全球前十万名科学家榜单等。入选国际期刊SusMat、Chemical Synthesis等期刊青年编委。