北京時間2025年10月6日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔課題組與電子科技大學夏川課題組合作，在國際高水平學術期刊Nature Catalysis上發(fā)表了題為Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。團隊率先提出并驗證人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)：面向天然海水場景高效捕集CO2，電催化制備可進入生物制造的平臺中間體，再經(jīng)工程化微生物升級轉化為高價值分子與材料。研究以可降解材料單體為示范，凸顯“捕碳造物”的平臺能力與可擴展性，為我國“藍色經(jīng)濟”、雙碳目標與綠色低碳技術創(chuàng)新提供新路徑。
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文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4
海洋作為地球最大的碳匯，每年吸收逾四分之一人為排放的二氧化碳，是維系全球氣候穩(wěn)定和碳循環(huán)的重要天然緩沖器。然而，隨著大氣中二氧化碳濃度的持續(xù)上升，不僅加劇了氣候變化，并且海洋因大量吸收二氧化碳而出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，威脅海洋生態(tài)安全。如何把已入海的碳資源化并減緩酸化，是海洋治理與綠色制造的共同命題。
此次研究團隊自主研發(fā)電解裝置，可在真實海水環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運行超過500小時，以較低的能耗高效捕獲海水中的二氧化碳；所捕獲碳源經(jīng)電催化轉化為高純甲酸，再由工程化海洋微生物升級為琥珀酸等平臺分子。以琥珀酸為例，團隊完成了材料端示范（如可降解塑料PBS制備），用以驗證從“海水捕碳—平臺中間體—生物升級—終端應用”的端到端可行性；所獲替代型生物化學品在性質(zhì)上與石化同類一致，體現(xiàn)可持續(xù)的海洋碳資源利用路徑。該研究驗證了“以海治碳”的技術可行性，也為我國推進海洋碳匯資源化提供了范例。面向應用，隨著技術優(yōu)化與規(guī)?；七M，有望在近海實現(xiàn)“邊捕碳、邊產(chǎn)料”的一體化布局，帶動綠色分子與材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進藍色經(jīng)濟高質(zhì)量增長。該工作緊扣“雙碳”與“藍色經(jīng)濟”方向，為氣候治理、生態(tài)保護與綠色產(chǎn)業(yè)提供新方案，彰顯了中國科研團隊在全球綠色低碳科技創(chuàng)新中的擔當與貢獻。
圖1 擬建的人工海洋碳捕集與循環(huán)利用系統(tǒng)
研究團隊提出“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”的總體思路。該系統(tǒng)包括兩個關鍵環(huán)節(jié)：首先，通過新型的電解裝置直接從海水中捕集二氧化碳，有效避免了電極鈍化和鹽類沉積等問題，實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行；其次，將捕獲的二氧化碳通過電化學與生物催化過程，轉化為可替代化石工業(yè)來源的生物化學品。該路徑貫通了從“海水捕碳”到“綠色分子與材料”的全鏈條，以可降解塑料單體為示范，凸顯其在碳循環(huán)、資源利用和環(huán)境治理中的戰(zhàn)略意義（圖1）。
圖2 利用固態(tài)電解質(zhì)電解槽從海水中捕集二氧化碳
研究團隊開發(fā)了一種用于海水碳捕集的裝置，并在結構設計與運行穩(wěn)定性方面取得了突破。該裝置能夠以天然海水為原料實現(xiàn)連續(xù)二氧化碳捕集，在實際條件下穩(wěn)定運行超過500小時，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。實驗結果顯示，該裝置的碳捕獲效率超過70%，并可同步副產(chǎn)氫氣；其捕獲每噸二氧化碳的成本僅為229.9美元，展現(xiàn)出潛在的經(jīng)濟競爭力。該成果不僅驗證了直接利用天然海水實現(xiàn)持續(xù)“捕碳”的可行性，也為將海洋碳匯轉化為綠色分子與材料、推動海洋經(jīng)濟發(fā)展提供了新的可能性（圖2）。
圖3 Bi-BEN 的結構表征
研究團隊通過兩步法成功合成了Bi-BEN（鉍基金屬有機框架衍生）催化劑。首先經(jīng)溶劑熱反應制備鉍基金屬有機框架材料，隨后在電化學原位重構過程中形成由有機配體修飾的Bi納米顆粒。通過單晶衍射、X射線吸收光譜等多種表征手段系統(tǒng)驗證了其結構特征，確認了該催化劑材料在實際工況條件下的真實結構（圖3）。
圖4 Bi-BEN與Bi納米顆粒的二氧化碳電還原性能及機理研究
研究團隊系統(tǒng)對比了Bi-BEN與未修飾Bi納米顆粒催化劑在二氧化碳電還原反應（CO2RR）中的性能差異。結果表明，Bi-BEN催化劑具有較高的催化活性和甲酸選擇性，在720 mA cm-2的甲酸偏電流密度下僅需-1.37 V（相對于可逆氫電極）的過電位，并且穩(wěn)定性得到明顯提升。進一步結合原位光譜與理論計算分析發(fā)現(xiàn)，Bi-BEN 的優(yōu)越性能源于有機配體對關鍵反應中間體HCOO*的穩(wěn)定作用，從而協(xié)同提升了催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性（圖4）。
圖5 甲酸的電化學生產(chǎn)及其向琥珀酸的微生物轉化
為驗證依托海洋資源發(fā)展海洋經(jīng)濟、利用海水制造綠色材料的可行性，研究團隊構建了電催化和生物催化的耦合過程，并以生物塑料為示例完成從捕碳到終端制品的貫通示范。首先，利用Bi-BEN催化劑并通過放大固態(tài)電解反應器獲得高濃度的純甲酸溶液，并在連續(xù)運行20天內(nèi)保持穩(wěn)定產(chǎn)出。隨后，工程化的海洋細菌Vibrio natriegens（需納弧菌）能夠以甲酸為唯一碳源實現(xiàn)高效生長，并將其進一步轉化為琥珀酸和乳酸。該“電催化+合成生物學”的耦合策略首次實現(xiàn)了海水碳捕集與生物塑料原料生產(chǎn)的銜接，形成面向多產(chǎn)物的通用平臺，為跨學科融合提供了新范式（圖5）。
圖6 利用由二氧化碳合成的甲酸進行琥珀酸的生物發(fā)酵
為驗證以二氧化碳合成的甲酸作為唯一碳源生產(chǎn)琥珀酸的工業(yè)可行性，研究人員系統(tǒng)展示了完整的生產(chǎn)過程：通過碳同位素（13C）標記實驗明確證實琥珀酸碳源來自甲酸；在1L與5L發(fā)酵罐完成從搖瓶到中試級的放大驗證。過程中產(chǎn)生的乳酸產(chǎn)物亦具備材料與化學品價值，提示路線具備并聯(lián)多產(chǎn)物潛力。結果表明，該系統(tǒng)具備實際放大與產(chǎn)業(yè)化可行性，標志著向“邊捕碳、邊產(chǎn)料”一體化模式邁出關鍵一步（圖6）。
圖7 電催化+生物催化的集成系統(tǒng)
圖8?電催化+生物催化捕獲海水中的碳用于合成多種塑料產(chǎn)品的示意圖
該研究由中國科學院深圳先進技術研究院和電子科技大學等單位合作完成，電子科技大學博士生李成博為第一作者，中國科學院深圳先進技術研究院博士生郭明明為共同第一作者；夏川教授為最后通訊作者，高翔副研究員為共同通訊作者。項目負責人夏川教授和高翔副研究員表示：“我們希望通過這項技術，把海洋豐富的碳資源轉化為綠色高價值產(chǎn)品，實現(xiàn)碳減排、資源利用和產(chǎn)業(yè)升級的多重目標。這也是我國落實碳達峰碳中和戰(zhàn)略、建設海洋強國的重要科技支撐。”該工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、四川省杰出青年基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金和深圳市自然科學基金等項目的支持。
通訊作者簡介：
高翔，博士生導師，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員，中國科學院人才引進計劃和廣東省杰出青年入選者。實驗室聚焦生物-非生物雜合體人工光合技術，融合生物催化和光/電化學催化的優(yōu)勢，創(chuàng)建超越自然功能的人工光合細胞工廠，開辟光/電能驅(qū)動CO?合成產(chǎn)物的新路徑，為解決糧食、能源和環(huán)境等問題提供創(chuàng)新解決方案。研究成果以第一和通訊（含共同）作者身份，發(fā)表在Nature Catalysis,Nature Chemistry,Nature Sustainability,Chemical Reviews等期刊；主持國家自然科學基金委青年科學基金項目（B類）和面上項目、中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項(B類)、深圳市重點項目等。
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