文 | 《中国科学报》记者刁雯蕙

通过电化学耦合生物发酵将二氧化碳和水转化为长链产品的示意图。 图片来源：研究团队

此前，我国科学家在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。那么，二氧化碳除了可以“变”淀粉，还能“变”其他东西吗？

答案是肯定的！

4月28日，以封面文章形式发表于《自然—催化》的一项最新研究表明，电催化结合生物合成的方式，能将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，进一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。

“该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程，发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸，后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成‘粮食’提供了新的技术。”中国科学院院士、中国化学会催化专业委员会主任李灿评价道。

这一成果由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组共同完成。

温和条件下工业废气变“食醋”

那么，二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的呢？

“首先，我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料，方便微生物发酵。”

曾杰介绍道，清洁、高效的电催化技术可以在常温常压条件下工作，是实现这个过程的理想选择，他们就此已经发展了很多成熟的电催化剂体系。

至于要转化为哪种“原料”，研究人员将目光瞄准了乙酸。因为它不仅是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其他生物物质。

“二氧化碳直接电解可以得到乙酸，但效率不高，所以我们采取‘两步走’策略——先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳到乙酸。”曾杰说。

即使如此，目前一氧化碳到乙酸的电合成效率（即乙酸法拉第效率）和纯度依旧不尽如人意。

对此，研究人员发现，由一氧化碳催化形成乙酸盐，特异性地受催化剂表面几何形状的影响，一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸法拉第效率可达52%。

“实际生产中，提升电流可以提升功率，但是可能降低法拉第效率。”夏川说，好比把每天的工作时间从8小时延长到12小时，虽然上班时间更久，但工作效率反而会下降。

“我们把最高偏电流密度提升到321mA/cm2（毫安每平方厘米）时，乙酸法拉第效率仍保持在46%，能够较好地保持‘高电流’和‘高法拉第效率’的平衡。”