生物适应性单原子镍催化剂开启高通量微生物电合成将CO2转化为异丙醇

将废气转化为有用的酒精

异丙醇——我们熟悉的摩擦酒精和电子清洗液的成分——目前大多在耗能巨大的工厂中由化石燃料制得。这项研究探讨了一条不同的路径：利用电力和活体微生物，在室温下将废弃的二氧化碳（CO2）转化为异丙醇。研究者展示了一种专门设计的基于镍的催化剂如何在富含营养物和细胞的“汤”中保持稳定，从而有可能把清洁电力、工业捕获的CO2和工程化细菌连接成一个连续的过程。

为什么异丙醇和CO2很重要

异丙醇是广泛使用的化学品，用于消毒剂、燃料添加剂，尤其用于半导体芯片清洗。随着人工智能和先进电子设备的兴起，这一市场快速增长，全球需求价值已达数十亿美元并预计继续增长。目前几乎所有异丙醇都来自石油衍生的丙烯或由丙酮在高温高压及化石氢条件下转化而来。这些途径会排放CO2并需要复杂的分离过程。如果以CO2本身作为原料并由可再生电力驱动，同样的化学品可以以更小的碳足迹生产——并且有可能利用那些本来会被排放到大气中的CO2。

把微生物当作微小化工厂

团队以最近在“气体发酵”方面的进展为基础：某些微生物能摄取CO2、一氧化碳（CO）和氢气（H2）等简单气体，用它们来生长并合成多碳产物。这项研究中使用了经基因改造的细菌Clostridium ljungdahlii菌株，能从气体混合物中生产异丙醇。细致的发酵试验表明，一氧化碳起着至关重要的作用：当微生物只接收H2和CO2时，它们几乎不产生异丙醇且生长不良；加入CO后，异丙醇产量约提高了140倍，乙醇和乙酸等其他产物的生成也显著增加。CO不仅提供碳源，还提供细胞代谢所需的富能电子，使其比单独的H2更有效地作为能量燃料。

在有生命体系中的催化剂难题

为了按需由CO2生成CO，体系依赖于电化学电池——实质上是用电力促使CO2在电极上发生反应的装置。在简单盐溶液中，银是一种已知的将CO2转化为CO的催化剂。但在含有氨基酸、维生素和许多其他有机分子的真实微生物培养基中，银的表现很差：其CO产出下降了一个到两个数量级。通过先进的光谱学手段，作者表明在银表面这些有机分子会堆积覆盖电极，阻挡CO2到达反应位点。即使施加更高电压造成部分有机物解吸，氢气的生成也会占主导，浪费电子并破坏为微生物持续提供CO的目标。

与生物体系相容的单原子镍

这项工作的核心创新是一种“生物适应性”催化剂，由锚定于氮掺杂碳载体上的孤立镍原子构成。这种镍单原子催化剂保持为分散的、微小的活性位点而非大块金属颗粒。在标准电解质中它已表现出优异的CO生成效率。关键是，在复杂的微生物培养基中它仍然保持近似相同的CO选择性——高达约92%——且活性远高于银。对催化剂表面振动和局部原子环境的测量表明，与银不同，镍位点不会强烈吸附培养基中的有机成分。计算机模拟也支持这一结论：典型培养基分子如氨基酸和核苷酸碱基容易吸附到银上，但在镍单原子位点上从热力学上并不被青睐。因此，即使在拥挤的生物环境中，CO2仍能接近并在这些镍中心发生反应。

一个可行的混合系统及其意义

在获得稳定的CO源后，研究人员构建了一个完整的混合反应器，将镍电极与工程化的C. ljungdahlii培养物连接。在近体温（37 °C）连续运行下，系统在四天内保持了稳定的电流和气体组成。在此期间，微生物将电化学产生的CO（以及部分H2）转化为异丙醇、乙醇和乙酸的混合物。考虑到蒸发损失后，异丙醇的生产速率达到约161毫克每升每天，在约10.8安培每平方米的电流密度下——与或优于早期仅依赖H2作为电子来源的系统。重要的是，长期运行后的结构检查显示镍单原子催化剂保持完好，且未显著向培养液中淋出金属。

从实验室演示走向更环保的化学品

简单来说，这项研究表明，只要催化剂设计能耐受生物复杂性，就可以将CO2和电力直接引入含活体微生物的体系并维持高效的化学反应。镍单原子催化剂像一个选择性的门卫：即便浸没在富含营养的培养基中，它仍能集中作用于CO2，稳定地提供供微生物升级为异丙醇的CO流。尽管工程挑战仍然存在——例如匹配气体产生速率与微生物摄取、避免气体扩散层进水以及简化产物回收等——这项工作勾画出了一条有前景的路径，朝着用废弃CO2通过电力驱动更清洁地生产日常化学品迈进。

引用: Zhou, G., Humphreys, J.R., Cheng, D. et al. Bioadaptive Ni single atoms unlock high rate microbial electrosynthesis of isopropanol from CO₂. Nat Commun 17, 1639 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68358-8

关键词: CO2-制化学品, 微生物电合成, 单原子催化剂, 异丙醇生产, 镍电催化剂