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作者 李傳福 史湘綺

隨著全球氣候變化問題日益嚴峻，如何有效利用二氧化碳成為了科學研究的重要課題。此前，中國科學家實現(xiàn)了將二氧化碳合成淀粉。最近，科學家在《自然合成》雜志上發(fā)表了另一項突破性的研究，展示了一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物塑料的創(chuàng)新方法。

電化學二氧化碳還原反應(yīng)是一種利用可再生能源產(chǎn)生的電力將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品的技術(shù)。這種方法不僅可以減少大氣中的二氧化碳濃度，還能生產(chǎn)出如乙酸、乙醇和正丙醇等有用的化學品。然而，當目標是生產(chǎn)碳鏈長度超過四個碳的產(chǎn)品時，這一過程變得更加復(fù)雜。

生物合成系統(tǒng)能夠?qū)⒍趸蓟蚱溲苌镛D(zhuǎn)化為長鏈碳燃料和化學品，如正丁醇和聚酯。但是，當這些系統(tǒng)直接以二氧化碳或低品質(zhì)二氧化碳還原反應(yīng)的產(chǎn)品為原料時，它們的能源效率和碳利用率可能會降低，這限制了這些過程的經(jīng)濟和實際可行性。

為了克服這些挑戰(zhàn)，科學家們提出了一種電化學二氧化碳還原反應(yīng)與生物合成優(yōu)化集成的方法。這種方法可以高效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為更長、更高價值的碳產(chǎn)品。乙酸是一種理想的碳源，因為它可以被細菌在生物反應(yīng)器中高效地轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品。

在這項研究中，科學家們開發(fā)了一種多孔固體電解質(zhì)反應(yīng)器，它能夠產(chǎn)生高選擇性和無電解質(zhì)的醋酸酯。這種反應(yīng)器與生物合成系統(tǒng)偶聯(lián)，可以生成聚羥基丁酸生物塑料。這種生物塑料是一種可降解的塑料，對于減少塑料污染具有重要意義。

反應(yīng)器集成平臺示意圖 來源：《自然合成》

這種集成平臺的關(guān)鍵創(chuàng)新在于能夠在生物相容性電解質(zhì)介質(zhì)中產(chǎn)生乙酸鹽，乙酸鹽直接用于生物合成過程生產(chǎn)聚羥基丁酸生物塑料，從而實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的無縫集成，無需額外的分離或pH調(diào)整步驟。研究中使用了一種銀摻雜的氧化亞銅納米立方體催化劑，它在電催化反應(yīng)中表現(xiàn)出高選擇性地生成乙酸鹽的能力。在電化學還原過程中，乙酸鹽的選擇性生成是通過優(yōu)化的銀摻雜氧化亞銅催化劑實現(xiàn)的。

這項研究提供了一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用化學品和材料的新方法。通過電化學二氧化碳還原反應(yīng)與生物合成的集成，科學家們不僅提高了二氧化碳的利用效率，還為生產(chǎn)可持續(xù)的生物塑料提供了一種有效的途徑。這項技術(shù)的成功展示了跨學科合作在解決全球性問題中的潛力，為我們提供了一種新的視角來看待二氧化碳——它不僅是氣候變化的罪魁禍首，也可以成為制造有用產(chǎn)品的重要原料。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和優(yōu)化，我們有望看到更多創(chuàng)新的二氧化碳利用方法，為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。