“酶+X”耦合催化CO2资源化转化

作者：刘书松; 张博禹; 吴振华; 赵熙瑶; 石家福^*

来源：洁净煤技术, 2022, 28(09): 87-102.

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.cru22040901

• 酶催化
• 二氧化碳
• 碳捕集、利用与封存技术(CCUS)
• 耦合催化

“碳达峰、碳中和”是我国统筹国内外局势做出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、构建人类命运共同体的庄严承诺。碳捕集与封存技术(CCS)作为传统的CO2治理方法存在潜在的泄漏风险且会造成巨大的经济负担。近年来，碳捕集、利用与封存技术(CCUS)由于可将捕集的CO2转化为附加值产品以实现资源化利用，被认为是CCS的有效替代和补充方案。发展高效的CO2资源化技术是CCUS的关键。酶催化技术作为典型的绿色生物制造技术在CO2资源化利用领域受到广泛关注。构建以酶催化为基础的耦合催化系统为CO2到高值化学品或燃料的资源化转化创造了丰富的路径网络。综述了近年来基于生物酶介导的“酶+X”耦合催化CO2资源化转化系统，包括“酶+酶”耦合催化系统、“酶+化学”耦合催化系统、“酶+光”耦合催化系统和“酶+电”耦合催化系统。对不同耦合催化系统的结构进行解析，明确了系统特点及催化反应过程。在结构解析的基础上讨论了系统模块设计与性能强化的关键。阐述了“酶+X”耦合催化系统应用于CO2资源化转化的优势与不足，并对其未来发展方向提供了建议。“酶+酶”耦合催化系统较单酶催化系统丰富了CO2转化为目标产物的路径可设计性，可通过多步反应促使CO2还原产物向具有更高附加值的方向转化，极大提升CO2资源化转化的经济效益。“酶+化学”耦合催化系统利用化学催化过程对CO2进行预先转化，后续的酶催化过程可直接以C1化合物作为反应底物，在催化CO2转化为C2/C2+等多碳化合物方面表现出独特优势。“酶+光”耦合催化系统模拟自然光合作用利用光能实现辅酶循环再生，避免了辅酶依赖型酶催化反应对外源性还原当量的消耗。“酶+电”耦合催化系统可通过施加外部偏压直接或间接实现电极与酶活性中心之间的有效电子迁移，继而驱动酶催化CO2加氢转化为载能化合物。“酶+X”耦合催化系统弥补了单一的酶催化系统催化CO2资源化转化驱动力不足的弊端，具有独特的优势和广阔的应用前景。但不同催化系统的耦合增加了体系复杂性，需对耦合系统进行精密构筑，且酶催化剂的蛋白属性也在一定程度上影响了“酶+X”耦合系统催化CO2资源化转化的应用场景。今后一段时间，CO2捕集与封存仍是实现双碳目标的主要策略，但包括“酶+X”耦合催化CO2资源化转化技术在内的CO2利用技术将逐渐成为趋势，有望真正实现碳中和目标。

• 单位
  天津大学; 环境科学与工程学院