太阳能是丰富、环保的清洁能源。将太阳能转变为高值化学品和燃料，利于实现社会绿色化、低碳化发展。然而，这是太阳能转化与利用研究领域的热点和难点。光/电与酶的人工-生物体系相结合，能够突破光/电催化活性和选择性的瓶颈，能够拓宽酶催化的能量供给来源，有望产生太阳能利用新方案。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员刘健团队通过优化光/电催化与酶催化的适配过程，发展了光/电-酶耦合新路径，实现了高值化学品的合成。该团队利用配位修饰策略合成了具有不对称层间极化特性的Rh-ZnIn2S4光催化剂，促进了芳香醇底物的优先吸附以及α-C-H和O-H键活化，实现了氧化端芳香醇到芳香醛的高效、高选择性转化。同时，还原端生物辅因子NADH再生效率达到文献报道的最优水平，为偶联甲酸脱氢酶提供了适宜的底物动力学条件。在光照下，Rh-ZnIn2S4光催化剂能够同时实现芳香醇到芳香醛的选择性转化和NADH的高效再生，进而结合甲酸脱氢酶可实现CO2到甲酸盐的持续转化。进一步，该团队开发了新型的电-酶耦合路径。这一路径利用CO2电还原产生的甲酸盐介导NADH再生进而驱动酶催化反应，实现了高价值化学品的连续合成。该工作利用铋基电催化剂，在较高的电流密度和选择性下稳定地将CO2还原转化为甲酸盐。原位生成的甲酸盐通过Rh络合物再生NADH，与固定在基底上的脱氢酶结合，可进行目标化学品的高效连续合成，且基于酶的TON为1.8×106~3.1×106，超过目前报道的水平。该工作将电-化学-酶催化相结合，通过催化模块的空间解耦维持NADH与酶的高活性，展示了电-酶合成的规模化应用潜力。相关研究成果分别发表在《ACS催化》和《德国应用化学》上。研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者计划等的支持。论文链接：1、2