二氧化碳制“糧油”，中國科學家是如何變廢為寶的？ | 科技袁人_風聞

導讀

總結一下，這項工作分為三步，每一步都有某種核心技術大大提高了效率。第一步二氧化碳變一氧化碳的核心技術是Ni-N-C的單原子催化劑，第二步一氧化碳變乙酸的核心技術是有大量表面缺陷的Cu催化劑和固態電解質裝置，第三步乙酸變葡萄糖或脂肪酸的核心技術是對酵母菌的基因編輯。通過這些創新的疊加，就可以實現革命性的結果。

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本視頻發佈於2022年5月13日，播放量已達4.7萬

精彩呈現：

眾所周知，二氧化碳排放是全球一個重大的問題。能不能變廢為寶，把二氧化碳轉化成有用的材料？回答是可以，而且這條路越走越寬。

例如2021年9月，一個全世界轟動的新聞是，中國科學院天津工業生物技術研究所的馬延和所長和蔡韜副研究員等人實現了二氧化碳制澱粉（《二氧化碳合成澱粉和一氧化碳合成蛋白質，究竟怎麼樣？| 科技袁人》）。

《用無細胞的化學酶從二氧化碳合成澱粉》（https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049）

同一個月，我的科大師弟和同事曾傑教授的團隊實現了二氧化碳制甲酸（https://www.nature.com/articles/s41565-021-00974-5）。

《通過單原子合金化實現銅催化的專一性二氧化碳制甲酸》

2022年4月，《Nature》就此對曾傑做了一場專訪（https://www.nature.com/articles/d41586-022-00803-2）。

《Nature》專訪照片：曾傑和同事們研究把二氧化碳轉化成可用於電池的燃料的方法

最近，曾傑研究組和電子科技大學夏川研究組以及中國科學院深圳先進技術研究院于濤研究組合作，又實現了二氧化碳和水制葡萄糖和脂肪酸（https://www.nature.com/articles/s41929-022-00775-6）。

《通過電化學與生物代謝工程把二氧化碳升級改造成富能長鏈化合物》

《人民日報》對此做了長篇報道（http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2022-04/29/nw.D110000renmrb_20220429_1-11.htm）。糧食的主要成分澱粉就是葡萄糖的聚合物，而食用油的主要成分就是脂肪酸，所以開玩笑地説，這次是二氧化碳變糧油。中國化學會催化專業委員會主任李燦院士評論：“該工作為人工和半人工合成‘糧食’提供了新技術。”那麼，這是如何實現的呢？

《二氧化碳能合成葡萄糖和脂肪酸》

基本的回答是分為三步：一，二氧化碳通電還原成一氧化碳；二，一氧化碳和水催化合成乙酸，就是老陳醋中的醋酸；三，酵母細菌“吃醋”發酵產生葡萄糖。

二氧化碳合成葡萄糖流程

但光看這個描述，就跟“把大象裝進冰箱需要三步”一樣，完全不得要領。下面，我們再來稍微詳細地解讀一下，然後大家就知道這一系列操作妙在何處了。

把大象裝進冰箱總共需要三步

首先，乙酸作為中間產物是比較容易理解的，因為乙酸可以轉化為很多其他物質，是一種優秀的生物合成碳源。作為一個山西人，我就經常食用乙酸。但問題在於，為什麼要先把二氧化碳變成一氧化碳，而不是直接變成乙酸？

山西老陳醋

事實上，二氧化碳電催化制乙酸的技術早就存在。但問題在於，這樣做的反應速率慢，選擇性低。尤其麻煩的是，這樣產生的乙酸總是和其他產物以及電解質的鹽混在一起，把乙酸分離出來需要大量的成本。如果不分離呢？如果不分離，把這樣的混合物餵給微生物來發酵，那微生物很快會被毒死。酵母菌高喊：我們也是有“菌權”的！

因此，曾傑等人的辦法是把一步拆成兩步。第一步是二氧化碳變一氧化碳。他們發明了一種Ni-N-C的單原子催化劑，用來做這個非常高效。高效的意思是法拉第效率（Faradaic efficiency）接近100%，也就是説電流中幾乎所有的電子都發揮了想讓它們發揮的作用，即把二氧化碳還原成一氧化碳。尤其重要的是，這是在相當大的電流密度下實現的。很多電化學反應是在小電流下效率不錯，電流一大就不行了，而他們能在154毫安每平方釐米的電流密度下仍然保持近100%的法拉第效率，這是個相當高的數值。

法拉第（Michael Faraday，1791 - 1867）

第二步是一氧化碳變乙酸。這一步的核心技術又是一種高效的催化劑：有大量表面缺陷的Cu。學過化學的人能夠理解，表面缺陷往往成為催化活性中心。他們做了對照實驗，跟無缺陷的Cu相比，有大量表面缺陷的Cu把催化效率提高到6.5倍。雖然提高了這麼多，但由於一氧化碳除了乙酸之外還能變成乙醇、丙醇、乙烯等其他產物，所以這一步的法拉第效率就沒那麼高了。在比較低的電流密度下，法拉第效率可以達到52%。然而真正重要的是電流密度與法拉第效率的乘積，這個才決定了單位時間內的產量即產率。最終，他們選擇把電流密度提高到321毫安每平方釐米，此時法拉第效率仍然能保持46%，這是一個比較好的折中。

用有大量表面缺陷的Cu催化劑把CO電催化還原成純乙酸

此外還有一個問題。前面説了，常規電催化裝置生產出的乙酸混合着很多電解質鹽，會把發酵的微生物毒死。對此怎麼應對呢？他們發明了一種能夠傳導乙酸根離子和氫離子的固態電解質，取代了電解質溶液。這樣乙酸出來就幾乎是純的乙酸，大大節約了分離提純的成本。

固態電解質反應器（曾傑供圖）

實際上，曾傑等人2021年二氧化碳變甲酸的成果，基本原理也是用固態電解質反應器直接產生甲酸水溶液，省去了佔總成本高達70%的分離步驟。這樣甲酸水溶液就可以立即拿來用，例如作為電池燃料。因此，《Nature》對曾傑的專訪標題叫做《把工業二氧化碳變成電池燃料》（Turning industrial CO2 into battery fuel）。現在，你明白為什麼這個成果值得《Nature》來專訪了吧？（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78782.htm）

《把工業二氧化碳變成電池燃料》

回到最近的二氧化碳制葡萄糖。把純的乙酸加水稀釋，就可以餵給釀酒酵母細菌了。這就是第三步即最後一步，乙酸變葡萄糖。這是釀酒酵母的功勞，但不是普通的釀酒酵母，而是經過基因編輯的釀酒酵母。

為什麼要基因編輯？因為釀酒酵母可以把乙酸轉化成葡萄糖，但自身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量不高。中國科學院深圳先進技術研究院于濤研究員的團隊把釀酒酵母中與葡萄糖代謝有關的五個基因都敲除了，讓它們只能產生葡萄糖，而不能消耗。他們還給釀酒酵母插入了來自泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件，這兩種酶可以將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化為葡萄糖，進一步加強酵母菌積累葡萄糖的能力。在這些改造之後，酵母菌就成了專一高效生產葡萄糖的工具菌，產量達到2.2克每升。996的程序員是怎樣煉成的……

對釀酒酵母細菌的工程化

乙酸通過發酵還可以變成脂肪酸。類似地，他們也通過基因編輯技術強化了酵母菌生成脂肪酸的能力，達到了448.5毫克每升的產量。

通過微生物發酵生產葡萄糖和脂肪酸

總結一下，這項工作分為三步，每一步都有某種核心技術大大提高了效率。第一步二氧化碳變一氧化碳的核心技術是Ni-N-C的單原子催化劑，第二步一氧化碳變乙酸的核心技術是有大量表面缺陷的Cu催化劑和固態電解質裝置，第三步乙酸變葡萄糖或脂肪酸的核心技術是對酵母菌的基因編輯。通過這些創新的疊加，就可以實現革命性的結果。

你也許會問，這種方法能不能代替農業？我們以後是不是就不用種地了？實際上，現在的成本肯定比直接種植物要高，不可能這麼快就取代農業。但有以下幾點值得注意。

第一，跟農業相比，這種方法不需要耕種、收割、榨取等過程，生產週期短，佔地面積小，不受地域、氣候等影響，可以即產即用。因此這種方法在不具備種植條件的情況下價值更大，——例如太空探索。

第二，這種方法的能量來源是電力。如果用燃燒化石能源來發電，那意義就不大了，因為最初的目的不就是減少二氧化碳排放嘛！但現在新能源發展蓬勃，用風電、光電、水電等等將二氧化碳轉化成化學品，就很有價值了。如果將來可控核聚變成功，就更加不可限量。

第三，這種方法的價值不只在於它本身，還在於提出了一條普適的思路，即電催化與合成生物學的組合。比如未來要合成澱粉、色素、藥物等等，電催化設施都不用變，只需要改變發酵的微生物就行。這就打開了無盡的想象空間。

第四，這種方法還有很大的改進餘地。例如提高酵母菌對乙酸濃度的承受性，就可以提高產率。在多種改進之後，是有可能在經濟上變得有利的。

最後，你可能想問，這項工作跟2021年的二氧化碳制澱粉有什麼區別和聯繫？

回答是，中國科學院天津工業生物技術研究所的二氧化碳制澱粉沒有用到生物細胞體系。這是前所未有的突破，是最了不起的地方，所以引起了世界轟動。他們合成了新的酶催化劑，但這些酶是在生物體之外直接工作的。如果沒有微生物可以利用，比如説在火星上，那麼用這種方法就可以造出澱粉，——只要有能量輸入就行。實際上，這種方法的原料之一是氫氣，氫氣就是能量輸入，因為氫氣是一種高能的物質，一般是從電解水產生的。

人工澱粉合成路徑的設計與模塊組裝

而曾傑等人的方法是化學與生物聯用，如果有微生物可以利用，實現起來就更方便。它的原料只是二氧化碳和水，不包括氫氣這樣的高能物質。此外，它的三步過程都是在常温常壓的温和條件下進行的，而二氧化碳制澱粉的第一步二氧化碳變甲醇需要高温高壓。因此，兩種方法和思路各有所長，將來可以互補使用，甚至合作產生更大的成果。

從更大的圖景來看，中國科學家在二氧化碳轉化方面不斷取得重大突破，在這個重要領域走在了世界前列。隨着新能源與催化劑的進步，二氧化碳轉化有望一步步成為現實，拯救地球，甚至拯救外星球。

星辰大海