在生物催化氧化还原反应中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（1,4-NADH）作为关键辅酶，扮演着电子传递载体的重要角色。众多氧化还原酶催化的反应依赖于 1,4-NADH 提供的电子和氢离子，其在生物体内参与呼吸、光合作用以及酒精代谢等关键生理过程。然而，现有 1,4-NADH 再生方法存在诸多局限，如成本高昂、稳定性欠佳以及与生物催化反应的兼容性问题，这极大地阻碍了其在工业规模化学合成中的应用。

近期，浙江工业大学郑裕国院士研究团队提出了一种创新的绿色电化学催化系统，通过优化电极材料和反应条件，实现了 1,4-NADH 的高效再生，转化率超过 99.0%，为 1,4-NADH 的循环利用提供了新思路，也为可持续化学合成领域带来了突破性进展。

该研究首先对金属箔电极的最佳反应条件和反应动力学进行了深入探究。借助密度泛函理论（DFT）计算，揭示了 NAD+ 分子中碳-氮双键的电子结构特征，为理解其向 NADH 的转化提供了关键信息。计算模拟确定了 NAD+ 系统中最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的空间分布，结果表明 1,4-NADH 的形成在热力学上更为有利，且能量状态更稳定。拉曼光谱实验验证了钛电极材料在反应过程中的结构变化，证实了 NAD+ 分子在钛表面的吸附和结构重组。

循环伏安法（CV）分析显示，不同金属片电极对 NAD+ 的电化学行为存在显著差异。钛电极的最佳还原电位约为-0.8 V，而镍、钼、钯和铂电极的最佳还原电位约为-1.4 V。随着负电位的降低，金属电极上的氢吸附（Hads）增加，但超过最佳电位后，氢进化反应（HER）速率加快，导致 1,4-NADH 的产率降低。在反应时间与产率的关系研究中，发现不同金属电极在最佳电位下再生 1,4-NADH 的最佳反应时间不同。钯电极在 10 分钟内达到 93.3% 的转化率，钛和镍-钼电极在 15 分钟内分别达到 95.5% 和 94.5% 的最高转化率，而铂电极在 30 分钟内仅达到 59.2% 的转化率。

图1.电化学行为、NADH 的再生影响因素和泡沫金属电极的表征

研究还深入探讨了三维多孔泡沫金属电极和碳纳米颗粒的协同效应。泡沫金属电极的三维多孔结构显著降低了电极-电解质接触电阻，增加了电极表面活性位点的数量，提高了质子和电子的传质效率。实验数据显示，泡沫 Ni-Mo 合金和泡沫钛电极的 1,4-NADH 产率分别达到 97.0% 和 97.6%。进一步引入碳纳米颗粒后，电极的电化学再生效率显著提升，泡沫 Ni-Mo 合金-碳电极在-1.3 V 时的产率达到 99.02%。碳纳米颗粒的引入不仅降低了电极内部的电子迁移电阻，还增强了电极表面的电导率，提供了更多的电子传输通道。同时，碳纳米颗粒与金属基底协同作用，形成了多个不规则微电极区域，扩大了电极的反应界面，提高了中间体的化学吸附能力。

图 2. 泡沫金属电极引入碳纳米粒子后的特性及其 1,4-NAHD 辅酶再生转化率

在自制泡沫金属-碳电极的制备和表征方面，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析发现，碳材料在电极表面均匀分布。这种金属和碳元素的相互作用增强了电极的电催化活性。X 射线光电子能谱（XPS）分析结果显示，碳-钛复合电极和碳-镍-钼复合电极在辅酶再生过程中表现出优异的性能，其核心机制在于电极内部元素的化学状态和空间分布的协同优化。

图 3. 自制泡沫金属-碳电极表面的 X 射线光电子能谱特征

为了更好地理解电化学再生系统在生物催化中的应用潜力，研究人员将其与传统的酶催化辅酶再生系统进行了对比。酶催化系统通常依赖于特定的酶，如甲酸脱氢酶（FDH），来实现 NAD+ 到 1,4-NADH 的转化。然而，酶催化过程往往受到酶的稳定性、成本以及对复杂反应条件要求的限制。相比之下，电化学再生系统通过电极-电解质界面的高效电子转移，能够在短时间内实现 NAD+ 到 1,4-NADH 的快速转化，为生物催化反应提供持续的辅酶供应。

图 4. 不同电极电压下 1,4-NADH 辅酶的电化学再生转化率和阻抗，及生物再生转化率

在生物催化反应中，以LDH酶催化的 2-酮丁酸（2-KBA）转化为 L-2-氨基丁酸（L-2-ABA）的反应为例，电化学再生系统展现了显著优势。通过优化的电化学再生系统，反应体系中的 1,4-NADH 得以循环再生，避免了传统酶催化中辅酶快速耗尽的问题。实验结果表明，自制的镍-钼-碳复合电极在高达 10 mM 的 NAD+ 底物浓度下仍能保持稳定的转化率，证明了其出色的电子传导性和大比表面积优势。此外，电化学再生系统在反应过程中展现出良好的动力学特性，1,4-NADH 能够迅速再生并参与后续反应，维持了稳定的反应速率和产物产率。由于避免了共底物和辅酶的添加，减少了副反应的发生，生成的 L-2-ABA 纯度较高。通过精确控制电化学参数和反应条件，可以进一步优化产物选择性，最大限度地减少副产物的生成。

图 5. 电酶催化再生辅酶 1,4-NADH 的应用及其示意图

综上所述，本研究通过优化电极材料和反应条件，显著提高了 1,4-NADH 的电化学再生效率和稳定性，为可持续化学合成和生物催化技术的工业应用提供了重要技术支持。未来，随着对电极材料和反应机制的进一步研究，有望开发出更具成本效益和环境友好性的辅酶再生系统，推动绿色化学合成和生物催化技术的发展。

徐建妙，男，博士，博士生导师，正高级工程师，现任浙江工业大学生物工程学科平台实验室主任、全国样板党支部书记、全国仪器分析测试标准化委员会委员、浙江省生物工程学会理事。主要从事生物催化与微生物代谢工程等领域的研究。主持参与包括国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、浙江省公益性项目等在内的纵横向项目20余项，在国内外期刊发表论文50余篇，授权发明专利54项，获省部级科学技术一等奖7项。

周杨，浙江工业大学2023级硕博连读生物化工专业博士。课题主要聚焦电化学耦合氧化还原酶协同催化化合物，电化学辅酶NADH再生等研究。硕博期间在Green Chemistry期刊发表论文1篇，发明专利1项。

相关研究成果以“Metal-carbon electrode optimization for efficient electrochemical regeneration of 1,4-NADH: a new approach for sustainable biochemical synthesis”为题，于2025年4月发表于期刊Green Chemistry。我校徐建妙正高级工程师为论文通讯作者，2023级博士生周杨为论文第一作者。

【论文信息】

Zhou Y, Huang LL, Tao Y, et al. Metal-carbon electrode optimization for efficient electrochemical regeneration of 1,4-NADH: a new approach for sustainable biochemical synthesis. Green Chemistry, 2025, 27(5): 1234-1245.

【论文链接】

https://doi.org/10.1039/d5gc01535a