技术突破核心 - 开发出一种将二氧化碳直接高效转化为高附加值C3-C4二醇（如1,3-丙二醇和1,3-丁二醇）的新型电化学-生物催化级联系统[2][4] - 该系统融合电化学模块与AI辅助的生物催化模块，实现了碳负排放的转化过程，为绿色化工提供了可规模化的新范式[4][16] 电化学模块创新 - 使用CuZn合金催化剂，在–1100 mA cm⁻²的电流密度下，将CO₂还原为乙醇的法拉第效率达到35%，乙醇产率接近1200 μmol h⁻¹ cm⁻²[4][6] - 开发了仿西瓜皮结构的J-T膜，有效阻隔乙醇渗透（<1%），解决了传统阴离子交换膜乙醇渗透率>60%的问题，并实现了100 mM高浓度乙醇的快速积累[4][7] 生物催化与AI辅助酶工程 - 利用工程化的醛缩酶（DERA）将乙醇与甲醛通过C–C键延伸反应合成目标二醇[4] - 通过理性设计与AI预测（Saprot模型）对DERA酶进行改造，获得双突变体S233D/F43T，其催化效率提升2.5倍[10] - 分子动力学模拟显示，S233D突变引入了新的氢键网络，扩大了底物结合口袋，提升了底物亲和力[11] 系统性能与成果 - 实现了1,3-丙二醇从CO₂出发的产率达1.2 g L⁻¹ h⁻¹，1,3-丁二醇产率达0.7 g L⁻¹ h⁻¹，系统整体碳原子利用率约80%[15] - 使用¹³C标记CO₂证实产物中所有碳原子均来源于CO₂[15] - 与现有电-生物混合系统（通常产率<0.05 g L⁻¹ h⁻¹）相比，产率提升数十倍，展现出显著技术优势[15][18] 产业应用前景 - 该技术路径为CO₂资源化利用开辟了新途径，展示了电催化与合成生物学深度耦合在绿色智能制造中的巨大潜力[4][16] - 未来将优化电化学模块的能效与生物催化模块的稳定性，并拓展至合成更多种类的长链化学品[16]