Nature Synthesis∣集成电催化还原和生物合成，将一氧化碳升级为生物塑料
文献信息：
作者：Tae-Ung Wi, Yongchao Xie, Zachary H. Levell, Danyi Feng, Jung Yoon ‘Timothy’ Kim, Peng Zhu, Ahmad Elgazzar, Tae Hwa Jeon, Mohsen Shakouri, Shaoyun Hao, Zhiwei Fang, Chang Qiu, Hyun-Wook Lee, Andrea Hicks, Yuanyue Liu, Chong Liu, Haotian Wang
接收时间：7 November 2023
https://doi.org/10.1038/s44160-024-00621-6
nature synthesis 影响因子：-
背景介绍
通过电化学CO2/CO还原获得大于C3的高价值烃类化合物是一个挑战。将电化学CO2/CO电解槽与下游生物反应器集成是获得高价值长链产品的一种解决方案，但这两个系统的电解质不匹配，阻碍了顺利集成。
在这里，作者展示了一个多孔固体电解质反应器，它能够高选择性地且无需电解质地产生乙酸，并将其与生物合成系统结合起来，生成C4+聚羟基丁酸生物塑料。一个精细调节的含有生物相容性盐介质的电解质，其中含有乙酸，可以直接注入下游生物反应器，无需任何分离或盐混合过程。在优化的耦合平台上，Ralstonia eutropha细菌可以利用来自CO电催化还原产生的乙酸生长，并生产作为最终增值产品的生物塑料。
图文解读
图1|PSE电解槽与多样化产品链的示意图
图中显示了CO气体通过电解过程转化为乙酸和其他气体产物的过程。
PSE电解槽中间层流动去离子水和优化的矿物盐介质的设计，允许连续产生纯乙酸和用于生物合成的电解质，无需额外的分离过程，可以直接生成各种产品。
图2|银掺杂Cu2O纳米立方体（NCs）的形貌表征和电化学CORR性能
作者通过透射电子显微镜（TEM）图像和电化学测试，展示了银掺杂Cu2O NCs的形貌和在CO气体还原反应中的性能。这些催化剂在PSE电解槽中表现出高选择性，能够高效地将CO转化为高纯度的乙酸。
a,b, 纯Cu2O NCs（a）和银掺杂Cu2O NCs（b）的低倍透射电子显微镜（TEM）图像。
c, 银掺杂Cu2O NCs的高倍TEM图像，显示了Cu2O(200)晶面和掺杂位点。
d, 在CORR过程中，PSE电解槽从乙酸生产的示意图。
e, 使用银掺杂Cu2O NC电催化剂的PSE电池每个电流密度下CO还原产物的法拉第效率（FE）。数据代表三次独立测试的平均值，误差条代表标准差。
f, 使用银掺杂Cu2O NC电催化剂的PSE电池每个电流密度下产生的乙酸浓度（ppm）和相对纯度。
g, 在400 mA cm-2的条件下，使用银掺杂Cu2O NC电催化剂的PSE电池在稳定性测试中产生的乙酸的法拉第效率和相对纯度。
通过原位和非原位光谱学分析，揭示了银掺杂Cu2O NCs在电化学反应前后的结构变化。这些结果表明，银掺杂有助于铜的快速相变，从而提高了CORR过程中的催化活性。
a, 电化学反应前后银掺杂Cu2O NC电极的XRD（X射线衍射）。
b,c, 电化学反应前后银掺杂Cu2O NC电极的XPS（X射线光电子能谱）结果，显示铜（b）和银（c）峰。
d, 在CORR过程中的原位XAS（X射线吸收光谱）在开路电压（OCV）下测量，包括60分钟预还原过程（-0.8 V）和60分钟还原过程（-1.4 V）在Cu K边与铜金属箔参照。
e, 银掺杂Cu2O NC电极对应的Cu K边EXAFS（扩展X射线吸收精细结构）光谱；铜峰被分为Cu-O、Cu-Cumetallic和Cu-CuCu2O三个峰。
f, 在OCV下和CORR过程后在Ag L3边测量的非原位XAS光谱，以银金属箔和银纳米颗粒作为参照。
g, 银掺杂Cu2O NC电催化剂的TEM-EDS（透射电子显微镜-能量色散光谱）映射结果。HAADF，高角环形暗场图像。
图4 | 通过DFT计算进行的反应机理研究
通过密度泛函理论（DFT）计算，探讨了银掺杂对Cu2O NCs催化活性的影响。计算结果表明，银掺杂能够降低关键反应步骤的能垒，从而提高乙酸的生成选择性。
a，掺杂银的Cu2O纳米晶体（NCs）的高倍透射电子显微镜（TEM）图像，显示了Cu(111)和Ag(111)晶面。在橙色虚线部分，CORR过程后保持了立方结构。在红色虚线部分，CORR过程后主要在阶梯状表面附近发现银掺杂。
b，*OCCOH→*CCO+*OH→*CCOOH反应轮廓。插图：系统在位点3处有银掺杂的*OCCOH、*CCO+*OH和*CCOOH。青色晶格面将表层与体相分隔。铜、碳、氧和氢原子分别由蓝色、棕色、红色和白色球体表示。Ea，活化能。
c-e，*OCCOH→*CCO+*OH的反应机理：初始（c）、过渡态（d）和最终反应（e）中间体的顶视图和侧视图。黄色箭头表示反应过程中的原子运动。
图5 | 电化学还原与生物合成的整合以产生聚羟基丁酸（PHB），以及该过程的生命周期评估分析
a，耦合电化学系统和生物反应器的示意图。中性pH值的乙酸与优化的盐介质由PSE电池产生，乙酸直接输入生物反应器以产生PHB生物塑料。
b，使用生物电解液作为中间层溶液时，掺杂银的Cu2O纳米晶体（NCs）的PSE电池的电压曲线。
c，R. eutropha在乙酸上的生长以及PHB的生成，由代表性培养批次产生。数据代表三个生物学重复的平均值，误差条代表标准差（s.d.）。
d，将CO还原产物转化为生物催化剂（R. eutropha）中的多碳产物。
e-g，两种过程对全球变暖（GW）潜力（e）、富营养化（EU）（f）和人类健康致癌（HHc）以及人类比较毒性单位（CTUh）（g）的生命周期分布。y轴以对数刻度绘制。
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