《Biotechnology Advances》：Progress in photo-enzyme coupling catalysis for carbon dioxide reduction
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光酶耦合催化技术通过模拟自然光合作用，将二氧化碳高效转化为高附加值化学品，系统综述了其原理、组件优化、协同机制及工业转化挑战。
宁 Liu|刘文芳
北京工业大学化学与化学工程学院，良乡高等教育园区，北京市房山区，102488，中华人民共和国
摘要
通过模仿自然光合作用，光酶耦合催化（PECC）用于二氧化碳转化，结合了光催化和酶催化的优点，为捕获和利用温室气体提供了一种有效且创新的途径。本综述全面概述了该技术的最新进展，涵盖了基本原理、关键组分、协同机制、兼容性以及未来展望。根据是否需要辅因子介导，光酶耦合系统（PECS）可以分为依赖辅因子的系统和不依赖辅因子的系统。其主要组分包括光催化剂和酶，在能量转移和底物活化方面表现出独特的协同优势。为了提高PECS的兼容性，采用了诸如分隔固定化和过程优化等策略。通过开发高效的光催化剂、加强界面相互作用以及优化酶工程，PECC在从实验室研究向工业应用过渡方面具有巨大潜力，为缓解全球气候变化和应对能源危机提供了有力支持。
引言
随着工业化的加速，能源的大量消耗和生产活动的增加导致温室气体排放持续上升。众多研究表明，大气中二氧化碳（CO?）浓度的持续增加对全球气候产生了显著影响，引发了海平面上升和极端天气事件频发等问题（Schuur等人，2015年；Chu等人，2016年）。同时，传统化石燃料的逐渐枯竭进一步推动了可持续能源解决方案的探索。在这种背景下，二氧化碳的转化和利用被认为是缓解能源危机和减少温室气体排放的有前景的方法。
在各种二氧化碳转化技术中，光催化和酶催化作为两种关键的催化方法脱颖而出，各自具有不同的优势和局限性。光催化利用太阳能作为驱动力，具有可持续性和环境友好性。通过吸收光能，光催化剂中的电子发生跃迁，生成具有还原潜力的活性物种，将这些二氧化碳转化为有价值的化学品，如一氧化碳、甲醇和甲酸（Fu等人，2019年）。然而，光催化过程面临某些挑战，主要与光生载流子的复合率较高有关，这限制了可用于反应的活性物种的数量。此外，光催化反应的选择性通常较差，导致产物混合物的产生，增加了产物分离和纯化的复杂性（Qiu等人，2022年）。与光催化相比，酶催化作为一种生物催化过程，在温和的反应条件下具有更高的选择性且运行效率高。例如甲酸脱氢酶（FDH）和碳酸酐酶（CA）可以在特定条件下将二氧化碳转化为相关产物。然而，酶催化受到多种因素的限制：酶活性对温度、pH值和底物浓度等反应条件非常敏感。此外，酶的高生产成本限制了其在大规模工业应用中的广泛使用（Long等人，2017年）。
光催化和酶催化的结合催生了光酶耦合催化（PECC）技术的发展，在这种技术中，光催化剂产生的电子激活了酶的催化活性，而酶的选择性有助于提高反应效率。通过这两种方法的协同组合，PECC提高了反应的活性和选择性，从而实现了二氧化碳的高效转化。本综述全面概述了PECC技术在二氧化碳转化中的应用。讨论首先分析了PECC的基本原理，这些原理模仿了自然光合作用，并根据其对辅因子的不同需求将其分为依赖辅因子的系统和不依赖辅因子的系统。随后，重点介绍了光酶耦合系统（PECS）的关键组分的性能特点、挑战及最新进展，包括酶、光催化剂、电子供体和介质。接着分析了能量转移、界面调节和底物活化中的协同机制，强调了这些因素如何提高催化效率。随后讨论了PECS的兼容性问题，并提出了通过各种策略实现酶固定的解决方案，以及过程优化的方法。最后，指出了PECC技术在大规模工业应用中仍存在的挑战，包括需要探索高性能光催化剂、进一步推进酶工程以及对协同机制的深入理解。通过提出未来的研究方向，本综述旨在为这一有前景的二氧化碳转化技术的发展提供有价值的见解和指导。
基本原理
自然光合作用为高效能量转化和材料合成提供了范例，激发了类似人工系统的构建，以实现可持续的化学转化。如图1所示，光合作用包括两个主要阶段：光反应和暗反应。在光反应过程中，通过光系统II和光系统I的协同作用，光能被吸收并驱动电子通过一系列复杂的传递过程
能量转移和界面调节
近年来，光谱学、电化学和瞬态吸收光谱等先进技术被用于研究光催化剂和酶之间的能量转移途径和协同作用（Lou等人，2024年；Rui等人，2024年）。研究表明，光催化剂的界面性质、结构特征和物理化学属性对电子转移动力学和能量利用效率有重要影响
兼容性
虽然游离酶可以提供良好的催化性能，但由于其固有的不稳定性，它们缺乏物理屏障，容易受到外部条件的影响，从而导致酶分子的结构变化或失活。在涉及光催化反应的PECS中，这一问题尤为严重，因为活性氧（ROS）的生成会加速酶的氧化损伤（Ahmad Rizal Ahmad Rizal Lim等人，2021年；Yau等人，2022年）。为了提高稳定性，采用了酶固定化技术
结论与未来展望
总之，PECC通过结合光催化和酶催化的优点，模拟了自然光合作用，为二氧化碳转化提供了一种有前景的方法。尽管在光催化剂开发、界面相互作用增强和酶固定技术等方面取得了显著进展，但PECC仍面临阻碍其从实验室研究向大规模工业应用过渡的关键挑战。
未引用的参考文献
Camara等人，2022年
Cazelles等人，2013年
Wang等人，2016a
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：22378021）提供的财政支持。
