特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。碳中和經濟的發展要求我們用可持續的燃料和可再生資源中的化學成分取代對化石燃料的依賴。利用間歇可再生電力，以電化學二氧化碳減排(CO2R)的形式進行碳捕獲和利用，為應對這一全球挑戰提供了一種有前景的方法。然而，電催化CO2還原的多相催化劑在需要的大過電位下存在不必要的副反應和動力學效率低下。固定化的CO2還原酶，如甲酸脫氫酶，可以在最小的過電位下具有高周轉率和選擇性，因此是理想的模型催化劑。有鑒于此，英國劍橋大學Erwin Reisner團隊在通過碳酸酐酶的共固定化，研究了CO2水合作用對電化學局部環境的影響，以及從酶促如甲酸脫氫酶(均相催化)到異相催化體系的一系列不同的CO2還原系統的性能。結果發現碳酸酐酶的共固定化增加了CO2在電極上的水合動力學。這有利于酶促CO2的還原，盡管CO2濃度由于pH值的降低而降低，這對Au電極上的多相催化不利，因為體系無法抑制析氫副反應。了解局部環境中CO2水合動力學對電催化劑系統性能的作用，為開發下一代CO2還原催化劑提供了重要的見解。圖1. 介孔氧化銦錫(indium tin oxide ITO)電極酶的共固定化將來自尋常型脫硫弧菌的甲酸脫氫酶FDh或NiFeSe-氫化酶（H2ase））與來自牛紅細胞的非氧化還原酶CA在介孔氧化銦錫(ITO)電極上分別進行共固定化(圖1)，分別催化電催化燃料生成反應和CO2水合反應。同時在局部電極環境內，因為CA的魯棒性、可用性和快速動力學，其被選擇來催化CO2/HCO3-平衡(圖1c)。圖2展示了H2ase或FDh與CA在ITO電極上的共固定時對于電極表面覆蓋度的變化趨勢，結果表明兩種情況下的ITO表面覆蓋度均低于飽和，說明了酶膜的穩定性，在石英微晶天平上沒有觀察到MES緩沖液清洗造成的解吸現象。圖2. H2ase 或 FDh 與 CA 在ITO電極上的共固定圖3. 有和沒有CA共固定的H2ase的電化學性能和模擬的局部環境圖3研究了CA對局部pH值的影響。H2ase將H+還原為H2會增加介孔電極的局部pH值，在這個體系中，CO2濃度與酶的活性無關，而受溶液pH值的影響。因此，該體系的活性解決了CA對局部pH值的影響，而與緩沖體系的貢獻有無無關，電流的增加來源于H2ase活性的提高，由于在本研究中使用的條件下，H2ase具有近乎統一的選擇性，CA緩解了局部pH值的變化，改善了CO2水合動力學，使局部pH值更接近酶活性最優的pH值，從而提高了H2ase的相對活性。另外，MES提供了一種動力學快速模擬HCO3-緩沖系統，具有類似的pKa，但不需要水化步驟。因此，MES在沒有CA的情況下提供了更大的緩沖容量，在固定CA時提供了幾乎相同的緩沖容量。這在一定程度上減輕了局部pH的變化。圖4. 有和沒有CA共固定的FDh的電化學性能和模擬的局部環境
圖4研究了CA對酶促CO2還原的影響。FDh對CO2R的活性也表現出pH依賴性，溶液測定結果顯示pH值為7.1時，FDh對CO2R的活性最優，高于CO2凈化后0.1 M KHCO3的pH值(pH=6.67)。因此，適當提高局部pH值是可取的，但活性超過這一點后迅速下降，任何局部pH值的變化都應適度，以提高活性。對于CO2R，緩沖成分也是酶底物，這進一步使系統復雜化。在CO2純化后的0.1 M KHCO3中，40 pmol的CA與50 pmol的FDh共固定化提高了甲酸鹽的偏電流密度，而電流的增加僅僅是由于FDh活性的增加，不是酶特異性的任何變化。對于CO2或HCO3-存在下的FDh（有或沒有CA存在），沒有觀察到明顯的電流，，這是由于在使用的條件范圍內，CA改善了當地的pH環境和酶活性，導致相同電流恒電流時施加的負電位較小。進一步證明了CO2水化作用的改善是導致觀測電流增加的原因。當CA存在時，局部pH值更接近酶的最優值，導致催化活性增加。圖5. 在0.1 M KHCO3中，FDh和H2ase是否與CA共固定的電化學性能圖5顯示了一種模擬異質CO2R的酶系統。通過在多孔電極上共同固定兩種氧化還原酶H2ase和FDh(分別為20和50 pmol)，可以建立一個系統，開始模擬非理想的多相催化，因為電極不再選擇性地只對一個反應，同時保持pH值依賴性和Menten酶動力學。與上述單一氧化還原酶一樣，CA共固定化降低了電極的局部pH值(圖5c)，導致活性增加(圖5d)。如前所述，CA的共固定化在0.6 V下使局部[CO2]從20.5 mM減少到9.7 mM，原因是CO2水合作用增加，形成HCO3-，并增加了電極的消耗速率。然而，與多相催化不同的是，[CO2]保持在KM上方，FDh活性受快速CO2水合動力學中局部底物濃度降低的影響很小圖6. 在0.1 M KHCO3溶液中，有和沒有CA的Au電極的CO2RR性能
圖6顯示了與異相CO2RR的比較。CO2水合緩慢動力學對酶促和非均相CO2R的影響不同。多晶的金屬金電極是一種常見的異相CO2RR催化研究系統，而Au的CO2R的一級動力學對[CO2]有不同的反應。CA(溶液中20μM)的加入使CO2R的偏電流密度降低到1.5±0.4 mA cm2，使HER的偏電流密度增加到2.1±0.2 mA cm2(圖6a)。這與模擬多相催化的混合酶系統不同，在混合酶系統中，快速的CO2水合動力學提高了CO2R和HER的速率。CO2R的FE降低到41%，而HER在0.97 V時從27%增加到51%(圖6b)，由于對CO2R的相反作用，這一變化比異質酶模擬物的變化更明顯。同時有限元模擬分析在Au上的非均相CO2R的一級動力學表明，當添加CA時，減小的[CO2]不利于CO2R的速率，而在模擬多相催化的混合酶系統中，底物濃度的降低對活性的影響微不足道。當CA共固定化時，FDh活性的增加是由接近最佳pH的環境驅動的。因此，在多相催化的情況下，快速CO2水合動力學對CO2R選擇性的影響要比模擬多相催化的混合酶系統明顯得多。Cobb, S.J., Badiani, V.M., Dharani, A.M. et al. Fast CO2 hydration kinetics impair heterogeneous but improve enzymatic CO2 reduction catalysis. Nat. Chem. (2022).DOI：10.1038/s41557-021-00880-2https://doi.org/10.1038/s41557-021-00880-2
