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近日，材料学院夏川教授团队在国际高水平期刊 Nature Sustainability 上发表了题为“Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem”的研究性论文，报道了基于电-生物催化耦合策略转化丙酮副产品制备天然产物的研究。材料与能源学院博士后刘春晓、中国科学技术大学特任副研究员赵建康、中山大学副教授汤红婷为共同第一作者；材料与能源学院夏川教授、郑婷婷教授、中国科学技术大学/安徽工业大学曾杰教授和中科院深圳先进技术研究院于涛研究员为共同通讯作者；电子科技大学材料与能源学院为第一通讯单位。
长期以来，化学工业始终面临着如何有效处理产能过剩副产物、实现资源最大化利用的重大挑战。以常用的化工原料和溶剂——丙酮为例，目前其主要来源是异丙苯法制苯酚的副产品，每生产1吨苯酚将伴生约0.6吨丙酮。然而，与苯酚庞大的市场需求相比，丙酮的产品需求存在较大差异，造成产能过剩。如何实现丙酮副产品的高效利用和转化，成为化工行业面临的重要问题和挑战。目前，电催化耦合生物催化转化作为一种新兴的合成策略，通过空间解耦的方式，打破了传统的直接接触电-生物合成模式对合成效率和产物种类的限制，逐渐成为研究热点。然而，该策略目前主要用于二氧化碳的资源化利用，在其他底物转化方面的应用仍属空白。
图1.高纯IPA（~100%）的直接电合成
因此，研究人员提出了一种电-生物催化协同策略，首次采用纯异丙醇（IPA）作为电子载体，成功实现了酚酮联产过程中过剩丙酮向高附加值长链化合物的高效转化。通过设计开发插层钌基电催化剂（I-Ru），该工作实现了丙酮电化学加氢制IPA过程的性能突破。得益于拉伸应力诱导的电子结构优化，I-Ru催化剂展现出优异的电催化性能，实现了95.6%的最大IPA法拉第效率和-240 mA cm-2的IPA偏电流密度。原位谱学研究和理论计算模拟进一步揭示了应力引入对丙酮电解性能提升的内在调控机制。随后面向实际应用，基于优化设计的双极膜膜电极反应器，研究人员成功实现了纯丙酮电解到高纯IPA（~100%）的完全转化，并完成了10cm×10cm×2规模的反应堆栈验证。随后，研究人员通过对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行定向的基因编辑和系统的代谢工程改造，使其能够直接利用电化学生成的高纯IPA作为碳源，实现了从C6（对香豆酸）到C10-C18（游离脂肪酸）乃至C40（番茄红素）等一系列高附加值天然产物的定向合成。本研究从化工副产物升值利用的角度出发，变废为宝，不仅为清洁电能驱动传统化学工业的革新提供了新思路，更为实现绿色化学制造提供了技术储备。
编辑：刘瑶 / 审核：李果 / 发布：陈伟
