從海水“捕碳造物”——中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)打通人工海洋碳循環(huán)新路徑

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京時(shí)間2025年10月6日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔課題組與電子科技大學(xué)夏川課題組合作，在國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊Nature Catalysis上發(fā)表了題為Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。團(tuán)隊(duì)率先提出并驗(yàn)證人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)：面向天然海水場(chǎng)景高效捕集CO2，電催化制備可進(jìn)入生物制造的平臺(tái)中間體，再經(jīng)工程化微生物升級(jí)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值分子與材料。研究以可降解材料單體為示范，凸顯“捕碳造物”的平臺(tái)能力與可擴(kuò)展性，為我國(guó)“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”、雙碳目標(biāo)與綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新提供新路徑。

 

　　海洋作為地球最大的碳匯，每年吸收逾四分之一人為排放的二氧化碳，是維系全球氣候穩(wěn)定和碳循環(huán)的重要天然緩沖器。然而，隨著大氣中二氧化碳濃度的持續(xù)上升，不僅加劇了氣候變化，并且海洋因大量吸收二氧化碳而出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，威脅海洋生態(tài)安全。如何把已入海的碳資源化并減緩酸化，是海洋治理與綠色制造的共同命題。
 

　　此次研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)電解裝置，可在真實(shí)海水環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過500小時(shí)，以較低的能耗高效捕獲海水中的二氧化碳；所捕獲碳源經(jīng)電催化轉(zhuǎn)化為高純甲酸，再由工程化海洋微生物升級(jí)為琥珀酸等平臺(tái)分子。以琥珀酸為例，團(tuán)隊(duì)完成了材料端示范(如可降解塑料PBS制備)，用以驗(yàn)證從“海水捕碳—平臺(tái)中間體—生物升級(jí)—終端應(yīng)用”的端到端可行性；所獲替代型生物化學(xué)品在性質(zhì)上與石化同類一致，體現(xiàn)可持續(xù)的海洋碳資源利用路徑。該研究驗(yàn)證了“以海治碳”的技術(shù)可行性，也為我國(guó)推進(jìn)海洋碳匯資源化提供了范例。面向應(yīng)用，隨著技術(shù)優(yōu)化與規(guī)模化推進(jìn)，有望在近海實(shí)現(xiàn)“邊捕碳、邊產(chǎn)料”的一體化布局，帶動(dòng)綠色分子與材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量增長(zhǎng)。該工作緊扣“雙碳”與“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”方向，為氣候治理、生態(tài)保護(hù)與綠色產(chǎn)業(yè)提供新方案，彰顯了中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在全球綠色低碳科技創(chuàng)新中的擔(dān)當(dāng)與貢獻(xiàn)。
 

圖1 擬建的人工海洋碳捕集與循環(huán)利用系統(tǒng)
 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”的總體思路。該系統(tǒng)包括兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：首先，通過新型的電解裝置直接從海水中捕集二氧化碳，有效避免了電極鈍化和鹽類沉積等問題，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；其次，將捕獲的二氧化碳通過電化學(xué)與生物催化過程，轉(zhuǎn)化為可替代化石工業(yè)來源的生物化學(xué)品。該路徑貫通了從“海水捕碳”到“綠色分子與材料”的全鏈條，以可降解塑料單體為示范，凸顯其在碳循環(huán)、資源利用和環(huán)境治理中的戰(zhàn)略意義(圖1)。
 

圖2 利用固態(tài)電解質(zhì)電解槽從海水中捕集二氧化碳
 

　　研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于海水碳捕集的裝置，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行穩(wěn)定性方面取得了突破。該裝置能夠以天然海水為原料實(shí)現(xiàn)連續(xù)二氧化碳捕集，在實(shí)際條件下穩(wěn)定運(yùn)行超過500小時(shí)，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置的碳捕獲效率超過70%，并可同步副產(chǎn)氫氣；其捕獲每噸二氧化碳的成本僅為229.9美元，展現(xiàn)出潛在的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。該成果不僅驗(yàn)證了直接利用天然海水實(shí)現(xiàn)持續(xù)“捕碳”的可行性，也為將海洋碳匯轉(zhuǎn)化為綠色分子與材料、推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了新的可能性(圖2)。
 

圖3 Bi-BEN 的結(jié)構(gòu)表征
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過兩步法成功合成了Bi-BEN(鉍基金屬有機(jī)框架衍生)催化劑。首先經(jīng)溶劑熱反應(yīng)制備鉍基金屬有機(jī)框架材料，隨后在電化學(xué)原位重構(gòu)過程中形成由有機(jī)配體修飾的Bi納米顆粒。通過單晶衍射、X射線吸收光譜等多種表征手段系統(tǒng)驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)特征，確認(rèn)了該催化劑材料在實(shí)際工況條件下的真實(shí)結(jié)構(gòu)(圖3)。
 

圖4 Bi-BEN與Bi納米顆粒的二氧化碳電還原性能及機(jī)理研究
 

　　研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)對(duì)比了Bi-BEN與未修飾Bi納米顆粒催化劑在二氧化碳電還原反應(yīng)(CO2RR)中的性能差異。結(jié)果表明，Bi-BEN催化劑具有較高的催化活性和甲酸選擇性，在720 mA cm-2的甲酸偏電流密度下僅需-1.37 V(相對(duì)于可逆氫電極)的過電位，并且穩(wěn)定性得到明顯提升。進(jìn)一步結(jié)合原位光譜與理論計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，Bi-BEN 的優(yōu)越性能源于有機(jī)配體對(duì)關(guān)鍵反應(yīng)中間體HCOO*的穩(wěn)定作用，從而協(xié)同提升了催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性(圖4)。
 

圖5 甲酸的電化學(xué)生產(chǎn)及其向琥珀酸的微生物轉(zhuǎn)化
 

　　為驗(yàn)證依托海洋資源發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、利用海水制造綠色材料的可行性，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了電催化和生物催化的耦合過程，并以生物塑料為示例完成從捕碳到終端制品的貫通示范。首先，利用Bi-BEN催化劑并通過放大固態(tài)電解反應(yīng)器獲得高濃度的純甲酸溶液，并在連續(xù)運(yùn)行20天內(nèi)保持穩(wěn)定產(chǎn)出。隨后，工程化的海洋細(xì)菌Vibrio natriegens(需納弧菌)能夠以甲酸為唯一碳源實(shí)現(xiàn)高效生長(zhǎng)，并將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為琥珀酸和乳酸。該“電催化+合成生物學(xué)”的耦合策略首次實(shí)現(xiàn)了海水碳捕集與生物塑料原料生產(chǎn)的銜接，形成面向多產(chǎn)物的通用平臺(tái)，為跨學(xué)科融合提供了新范式(圖5)。
 

圖6 利用由二氧化碳合成的甲酸進(jìn)行琥珀酸的生物發(fā)酵
 

　　為驗(yàn)證以二氧化碳合成的甲酸作為唯一碳源生產(chǎn)琥珀酸的工業(yè)可行性，研究人員系統(tǒng)展示了完整的生產(chǎn)過程：通過碳同位素(13C)標(biāo)記實(shí)驗(yàn)明確證實(shí)琥珀酸碳源來自甲酸；在1L與5L發(fā)酵罐完成從搖瓶到中試級(jí)的放大驗(yàn)證。過程中產(chǎn)生的乳酸產(chǎn)物亦具備材料與化學(xué)品價(jià)值，提示路線具備并聯(lián)多產(chǎn)物潛力。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備實(shí)際放大與產(chǎn)業(yè)化可行性，標(biāo)志著向“邊捕碳、邊產(chǎn)料”一體化模式邁出關(guān)鍵一步(圖6)。
 

圖7 電催化+生物催化的集成系統(tǒng)
 

圖8 電催化+生物催化捕獲海水中的碳用于合成多種塑料產(chǎn)品的示意圖
 

　　該研究由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院和電子科技大學(xué)等單位合作完成，電子科技大學(xué)博士生李成博為第一作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生郭明明為共同第一作者；夏川教授為最后通訊作者，高翔副研究員為共同通訊作者。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人夏川教授和高翔副研究員表示：“我們希望通過這項(xiàng)技術(shù)，把海洋豐富的碳資源轉(zhuǎn)化為綠色高價(jià)值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)碳減排、資源利用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的多重目標(biāo)。這也是我國(guó)落實(shí)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要科技支撐。”該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省杰出青年基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和深圳市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。