制定整体战略，增强整体能源效率和生产力，提高对多碳有机分子的选择性，是CO₂高效利用的新趋势。基于材料学和生物学之间的协同作用，将无机纳米催化剂与固定CO₂的微生物相结合的混合策略似乎是一种不错的选择。这种具有生物相容性的催化系统可实现高能效，从而确保产生最少的有毒金属和最小的活性氧物质。

近年来，Chong Liu（本文通讯作者）等人利用这种具有生物相容性的生物-无机复合物实现了高效的电驱动CO₂和N₂固定。他们用磷酸钴（CoPi）催化剂裂解水析出氧，利用钴-磷（Co-P）合金催化剂析出氢气。产生的H₂被溶液中的微生物的氢化酶选择性地消耗，使CO₂和N₂通过生物化学还原成为高价值化学品。

问题在于，无机催化剂和微生物之间的界面并不理想，反应速率较慢，不适合规模化生产。作者发现，电极上的H₂输送能力有限，导致氢化酶中H₂氧化的动力学决定了反应速率。由于正常条件下H₂在水中的溶解度有限（0.79 mM），因此在电极上的高通量水分解反应不易转化为高产率的CO₂固定，并可能导致法拉第效率降低。

近日，加州大学洛杉矶分校刘翀课题组利用全氟碳纳米乳液增强H₂溶解和传递动力学，实现了高产率的CO₂还原固定。

为什么要选择PFC纳米乳液

1）PFC分子具有生物惰性。

2）PFC分子呈刚性和弱的分子相互作用，从而具有优异的气体溶解能力，H₂在PFCs中的溶解度比水中的溶解度高出一个数量级。

3）PFC纳米乳液制备方法简单。

PFC纳米乳液改变了什么

研究表明，PFC纳米乳液的非特异性结合促进了H₂转移，使氧化动力学提高三倍，显著提高了模型微生物催化剂（细菌Sporomusaovata）中电驱动CO₂还原到乙酸的速率。2.5％（v/ v）PFC纳米乳液使CO₂减少的通量增加了190％，4天内平均乙酸盐滴度值为6.4±1.1g / l（107 mM），具有接近100％的法拉第效率。这相当于1.1 mM h^-1的生产速率，是目前生物电化学系统中的最高值。

发现更多

基于以上实验结果，作者提出了一种描述PFC纳米乳液在电驱动的微生物CO2固定中的功能的机制，即在微生物表面，由于非特异性相互作用和微观尺寸，可能存在大量PFC纳米乳液的覆盖。Co-P合金催化剂电化学分解水产生的H₂通过高H₂溶解度的纳米乳液来传递，加速H₂传递动力学。有两个特征值得注意：（1）PFC是生物惰性的并且与无机催化剂相容；（2）H₂作为小的非极性分子通过细胞质膜被动地扩散，不需要任何特定的转运蛋白。

因此，PFC纳米乳液也可适用于以H₂作为媒介的电驱动微生物CO₂固定的其他系统中。

作者认为，局部H₂浓度和H₂传递动力学同样重要，电驱动的微生物CO₂固定中的理想气体载体不仅应具有高H₂溶解度，而且还应该能促进快速的H₂传递。通过新型的反应器工程设计，使用纳米级气体载体可以实现更高的CO2固定生产率。

由于PFC对于N₂、CH₄等其他小分子非极性气体也具有较高溶解度，而它们在水性介质中的有限溶解度也限制了反应速率。因此，作者认为PFC纳米乳液也可能适用于小分子活化中的两个具有挑战性的过程：生物催化的N₂固定和CH₄官能化。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0264-0