碳減排超50％！新型系統實現甲烷二氧化碳高值轉化

近日，西安交通大學化學工程與技術學院教授費強團隊成功構建太陽能驅動的生物光催化耦合系統，實現將甲烷和CO₂協同轉化為4-羥基苯甲酸和氫氣，為分散式一碳資源高值化利用、碳減排與可再生能源開發提供了全新技術路徑，彰顯了生物合成與光催化技術融合的巨大潛力。相關成果作為熱點文章在《德國應用化學》上發表。

光驅動耦合體系轉化甲烷與CO₂聯產氫氣和4-羥基苯甲酸。西安交通大學供圖

我國沼氣、焦爐氣等分散式一碳氣體資源豐富，但其單點規模小、分布分散且伴生大量CO₂，難以通過傳統熱催化方式實現經濟高效資源化利用。近年來，以生物制造為代表的溫和轉化技術展現出獨特優勢。好氧性甲烷氧化菌（嗜甲烷菌）能夠直接將甲烷轉化為生物基產物，適配分散式氣源的現場轉化需求。然而，甲烷生物轉化過程中存在還原力供應受限、代謝副產物碳損失等問題，制約了其整體碳原子經濟性與產物收率。

針對上述挑戰，研究團隊創新性地構建了生物—光催化耦合系統。首先通過合成生物學技術調控嗜甲烷菌體內的甲烷同化途徑，以優化甲酸積累和4-羥基苯甲酸合成途徑之間的碳通量分配。同時，團隊設計了具有生物相容性的光催化劑金屬配合物，可在細胞生長條件下以甲酸為光催化底物和電子空穴猝滅犧牲劑，高效生成氫氣和光生電子。其中光生電子作為還原力補充，驅動嗜甲烷菌體內的甲烷氧化與4-羥基苯甲酸合成。

為進一步降低系統碳排放，研究團隊還構建了人工固碳途徑，實現了光催化過程釋放CO₂的高效回收，增強了全體系的碳原子經濟性。通過整合光催化與生物轉化技術，不僅利用可再生能源實現甲酸脫氫，還通過光生電子的定向傳遞解決了嗜甲烷菌還原力不足的核心瓶頸。

在最優條件下，該集成系統實現了4-羥基苯甲酸產量達472.36微克每升，氫氣得率達0.59 毫摩爾氫氣每摩爾甲烷，系統整體碳減排程度超過50%。這一進展成功攻克了甲烷與CO₂協同轉化中碳通量分配調控、光催化與生物體系兼容、碳封存效率提升、嗜甲烷菌細胞工廠還原力供給不足等關鍵難題，建立了分散式甲烷氣源高值化利用的可行技術方案。

該成果精準對接“雙碳”目標與可再生能源發展需求，既實現了分散式一碳資源的高效利用，又能聯產清潔燃料和精細化工品。其核心技術不僅拓展了嗜甲烷菌細胞工廠的應用邊界，更推動了生物制造與光催化技術的交叉融合，為構建可持續、碳中性的技術框架提供了重要支撐，有望廣泛應用于化工、能源等工業領域，助力綠色低碳發展轉型。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202526097