制定整體戰略，增強整體能源效率和生產力，提高對多碳有機分子的選擇性，是CO2高效利用的新趨勢。基于材料學和生物學之間的協同作用，將無機納米催化劑與固定CO2的微生物相結合的混合策略似乎是一種不錯的選擇。這種具有生物相容性的催化系統可實現高能效，從而確保產生最少的有毒金屬和最小的活性氧物質。
近年來，Chong Liu（本文通訊作者）等人利用這種具有生物相容性的生物-無機復合物實現了高效的電驅動CO2和N2固定。他們用磷酸鈷（CoPi）催化劑裂解水析出氧，利用鈷-磷（Co-P）合金催化劑析出氫氣。產生的H2被溶液中的微生物的氫化酶選擇性地消耗，使CO2和N2通過生物化學還原成為高價值化學品。
問題在于，無機催化劑和微生物之間的界面并不理想，反應速率較慢，不適合規模化生產。作者發現，電極上的H2輸送能力有限，導致氫化酶中H2氧化的動力學決定了反應速率。由于正常條件下H2在水中的溶解度有限（0.79 mM），因此在電極上的高通量水分解反應不易轉化為高產率的CO2固定，并可能導致法拉第效率降低。
近日，加州大學洛杉磯分校劉翀課題組利用全氟碳納米乳液增強H2溶解和傳遞動力學，實現了高產率的CO2還原固定。
為什么要選擇PFC納米乳液
1）PFC分子具有生物惰性。
2）PFC分子呈剛性和弱的分子相互作用，從而具有優異的氣體溶解能力，H2在PFCs中的溶解度比水中的溶解度高出一個數量級。
3）PFC納米乳液制備方法簡單。
PFC納米乳液改變了什么
研究表明，PFC納米乳液的非特異性結合促進了H2轉移，使氧化動力學提高三倍，顯著提高了模型微生物催化劑（細菌Sporomusaovata）中電驅動CO2還原到乙酸的速率。2.5％（v/ v）PFC納米乳液使CO2減少的通量增加了190％，4天內平均乙酸鹽滴度值為6.4±1.1g / l（107 mM），具有接近100％的法拉第效率。這相當于1.1 mM h-1的生產速率，是目前生物電化學系統中的最高值。
發現更多
基于以上實驗結果，作者提出了一種描述PFC納米乳液在電驅動的微生物CO2固定中的功能的機制，即在微生物表面，由于非特異性相互作用和微觀尺寸，可能存在大量PFC納米乳液的覆蓋。Co-P合金催化劑電化學分解水產生的H2通過高H2溶解度的納米乳液來傳遞，加速H2傳遞動力學。有兩個特征值得注意：（1）PFC是生物惰性的并且與無機催化劑相容；（2）H2作為小的非極性分子通過細胞質膜被動地擴散，不需要任何特定的轉運蛋白。
因此，PFC納米乳液也可適用于以H2作為媒介的電驅動微生物CO2固定的其他系統中。
作者認為，局部H2濃度和H2傳遞動力學同樣重要，電驅動的微生物CO2固定中的理想氣體載體不僅應具有高H2溶解度，而且還應該能促進快速的H2傳遞。通過新型的反應器工程設計，使用納米級氣體載體可以實現更高的CO2固定生產率。
由于PFC對于N2、CH4等其他小分子非極性氣體也具有較高溶解度，而它們在水性介質中的有限溶解度也限制了反應速率。因此，作者認為PFC納米乳液也可能適用于小分子活化中的兩個具有挑戰性的過程：生物催化的N2固定和CH4官能化。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0264-0
