近日，中國科學院大連化學物理研究所（下稱“大連化物所”）李燦院士和丁春梅研究員團隊，實現(xiàn)了太陽能光電催化仿生 NAD(P)H 輔酶的高效再生。

其中，1,4-NAD(P)H 選擇性達到 99%、轉(zhuǎn)化率接近 100%，能為構建高效人工光合成體系奠定一定基礎。

日前，相關論文以《具有仿生功能的 Ni₃S₂ 與銠配合物的電催化 1，4-NAD（P）H 再生耦合體系》（A Coupled System of Ni3S2 and Rh Complex with Biomimetic Function for Electrocatalytic 1,4-NAD(P)H Regeneration）為題發(fā)在 JACS。

大連化物所博士生田書杰是第一作者，大連化物所李燦院士和丁春梅研究員擔任共同通訊作者。

據(jù)介紹，還原型輔酶 Ⅰ 或 II（簡稱 NAD(P)H），是一種重要的電荷傳輸媒介和能量載體，其造價非常昂貴。

在釋出電子和質(zhì)子之后，NAD(P)H 輔酶會變?yōu)檠趸瘧B(tài)，導致人們很難以化學計量的方式來使用它。因此，在使用 NAD(P)H 輔酶的時候，必須采取循環(huán)再生的方式。

在本研究中，再生得到的 NAD(P)H 可用于酶催化的谷氨酸合成等氫化還原反應。此前，該課題組還發(fā)現(xiàn)：電催化再生的還原型輔酶 Ⅰ，能被直接用于人工催化劑催化的亞胺氫化反應[1]。

因此，隨著光電催化領域的進一步發(fā)展，本次成果有望用于合成生物學酶催化反應、太陽能人工光合成體系的構筑，從而能夠通過太陽能來合成氨基酸、糖類等高值化合物。

（來源：JACS）

開發(fā)高效的電催化 NAD(P)H 再生催化劑

據(jù)了解，太陽能人工光合成——是完成“雙碳”目標、實現(xiàn)新能源轉(zhuǎn)型的重要路徑。國際社會對此亦是十分重視，美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)先后啟動了一系列重大戰(zhàn)略計劃。

所謂的人工光合成，即利用太陽能將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氫氣、甲醇等高值產(chǎn)物，人們將這些高值產(chǎn)物統(tǒng)稱為“太陽能燃料”。

在上述背景之下，李燦團隊在很早之前就開始研究太陽能人工光合成。

2001 年開始，該課題組先后布局了在光催化和光電催化人工光合成領域的學術研究，并研發(fā)了相關的先進光譜表征技術。

在此基礎上，建成了液態(tài)太陽燃料的千噸級示范，以水和二氧化碳出發(fā)，實現(xiàn)了綠氫和甲醇的規(guī)?；斯す夂铣芍苽?。

盡管人們在人工光合成領域已經(jīng)取得重大進展，然而依舊只能得到小分子燃料，難以生成更復雜的高值化合物。

而自然光合作用則能以二氧化碳和水為出發(fā)點，合成葡萄糖等碳水化合物。對于自然光合作用來說，它包含光反應和暗反應這兩大部分。

其中，光反應在將水氧化之后，可以釋出電子和質(zhì)子，并儲存在還原型輔酶 Ⅱ（NADPH，nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）還原力和三磷酸腺苷中。

還原型輔酶 Ⅱ，是一種重要的電荷傳輸媒介和能量載體，能被用于酶催化開爾文循環(huán)暗反應過程。

秉持道法自然的原則，李燦團隊將人工光反應和仿生暗反應加以耦合，借此合成復雜的高值產(chǎn)物。

對于人工光反應來說，它能捕獲太陽能、并將其儲存在高能還原力中，然后利用合成生物學酶催化暗反應，來合成復雜的高值產(chǎn)物。

其中，NAD(P)H 輔酶的再生是最重要的一環(huán)，它是連接光反應和暗反應的橋梁。

在自然界中，90% 的氧化還原酶、以及大約 400 種脫氫酶催化反應，NAD(P)H/NAD(P)⁺ 輔酶的參與必不可少。

而如何通過人工催化的方法，進行高效的 NAD(P)H 再生循環(huán)，一直是領域內(nèi)的難題之一。

還原型輔酶 Ⅰ 和還原型輔酶 Ⅱ 這兩種分子都十分復雜，而 NAD(P)H 的再生需要 2 個電子和 1 個質(zhì)子轉(zhuǎn)移，容易生成多種副產(chǎn)物。

對于生物體系中的 1,4-還原型輔酶 Ⅱ 來說，它是通過鐵氧還蛋白-NADP 還原酶（簡稱 FNR 酶）中的黃素腺嘌呤二核苷酸分子催化而來。

鐵氧還蛋白會將電子傳遞給黃素腺嘌呤二核苷酸，并將其還原，然后通過氫負轉(zhuǎn)移即可實現(xiàn) 100% 的空間選擇性。

此前，人工催化還原型輔酶再生面臨的最大難點是：具有生物活性的 1,4-NAD(P)H 產(chǎn)物的選擇性和活性都比較低。

而對于學界此前研發(fā)的直接電催化 NAD(P)⁺ 還原 1,4-NAD(P)H，其選擇性通常低于 70%，難以讓 NAD(P)H 同時實現(xiàn)高活性、高選擇性的再生。

因此，該課題組將開發(fā)高效的電催化 NAD(P)H 再生催化劑，作為近期一系列研究的主要目標。

選擇性達到 99.1%，轉(zhuǎn)化率接近 100%

此前，在同類實驗中人們一般使用銠分子來作為媒介體。而該團隊希望避開銠分子，直接進行光電催化、或電催化 NAD(P)H 輔酶的再生，以避免銠分子對于后續(xù)反應的影響。

研究中，他們通過采用多種金屬催化劑和碳材料，直接開展電催化還原型輔酶 Ⅰ 輔酶再生的研究。

但是，他們發(fā)現(xiàn)所生產(chǎn)的產(chǎn)物非常復雜，包含了 1,4-還原型輔酶 Ⅰ、1,6-還原型輔酶 Ⅰ、二磷酸腺苷-核糖等產(chǎn)物。

而具有生物活性的 1,4-還原型輔酶 Ⅰ 的選擇性僅為 60% 左右，同時課題組并沒有觀測到此前文獻中報道的 NAD₂ 副產(chǎn)物。

進一步研究之后他們發(fā)現(xiàn)：對于銅表面的 NAD⁺ 還原來說，它傾向于吸附氫耦合電子轉(zhuǎn)移機理[2]。借此他們發(fā)現(xiàn)了電極表面吸附氫對于還原型輔酶Ⅰ 再生反應的重要性。

進一步地，為了解決 NAD(P)H 再生反應的選擇性問題，該團隊開展了進一步的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在生物體系之中，很多加氫和脫氫酶的催化中心，都含有過渡金屬硫化物中心。

在此啟發(fā)之下，他們開發(fā)了一系列的金屬硫化物催化劑，其中包含一款名為 CoMo_2.75S_x 的催化劑。

在無需外加銠分子來作為媒介體的條件下，CoMo_2.75S_x 催化劑直接電催化 1,4-NAD(P)H 再生的選擇性能夠達到 91%[3]。

課題組還發(fā)現(xiàn)：上述過程和生物體系有著類似的氫負轉(zhuǎn)移過程，這說明它暗合了自然界酶催化還原型輔酶 Ⅱ 再生的機制。

但是，上述過程的活性依舊有待提高。而要想讓人工催化 NAD(P)⁺ 還原同時以較高的活性和選擇性生成 1,4-NAD(P)H，仍然是一件難事。

此前，有文獻報道稱：貴金屬銠配合物[Cp*銠(bpy)(H₂O)]Cl₂，能夠以高區(qū)域選擇性的方式，實現(xiàn)人工催化 1,4- 還原型輔酶 Ⅰ 的再生。其中，銠-氫是活性中間物，銠-氫物種的形成有著十分緩慢的動力學，這就會導致活性很低。

這時，該團隊注意到：具有適當?shù)乃?質(zhì)子還原性能和氫吸附性能的金屬硫化物，可以通過電化學途徑生成活性氫。

課題組推測：這些活性氫可能會促進銠分子氫化反應產(chǎn)生銠-氫中間體以及 NAD⁺ 的還原過程。

基于這一推測，該團隊開發(fā)了不同的硫化鎳（Ni₃S₂ 和 NiS₂）催化劑，并將其用于電催化 NAD⁺ 還原反應。

同時，他們還通過耦合金屬硫化物和有機金屬配合物催化劑的優(yōu)勢，提升了 NAD(P)H 再生的活性和選擇性。

此外，課題組還發(fā)現(xiàn)：對于單獨硫化鎳催化劑來說，它其實是一種新型的 NAD(P)H 再生催化劑。

然而，它在以直接電催化的方式進行 NAD(P)H 輔酶再生時，1,4-NAD(P)H 的選擇性僅有 80% 左右。

盡管采用銠分子催化的方式，的確可以高選擇地生成 1,4-NAD(P)H，但是所能實現(xiàn)的活性很低。

有意思的是，Ni₃S₂ 催化劑和銠分子的耦合體系，則能同時以較高的效率和選擇性，使得 NAD(P)⁺ 還原生成 1,4-NAD(P)H。

實驗數(shù)據(jù)顯示：上述過程的選擇性達到 99.1%，轉(zhuǎn)化率接近 100%。

當進行“歸一化”處理之后，Ni₃S₂- 銠體系的 NAD⁺ 還原活性，分別是 Ni₃S₂ 體系和銠分子體系的 5.8 倍和 13.2 倍，而這主要歸功于 Ni₃S₂ 和銠分子之間的協(xié)同效應。

并且，其他的多種過渡金屬硫化物也能與銠分子產(chǎn)生協(xié)同效應。

該團隊表示：在 Ni₃S₂- 銠體系之中，作為協(xié)同電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移的媒介體，Ni₃S₂ 能夠促進銠-氫活性物種的形成，進而可以促進 NAD(P)⁺ 還原反應的發(fā)生。

而銠-氫物種則能和 NAD(P)⁺ 的煙酰胺發(fā)生相互作用，從而能夠以定向方式轉(zhuǎn)移氫負，進而可以高選擇性地生成 1,4-NAD(P)H。

總的來說，Ni₃S₂ 和銠分子耦合體系能夠模擬生物氧化還原酶的功能，為設計高效、高選擇性的 1,4-NAD(P)H 再生人工系統(tǒng)提供了新思路。

另外，課題組發(fā)現(xiàn)其他多種金屬和銠分子催化劑，也能體現(xiàn)類似的協(xié)同效應。

于是，他們又將質(zhì)子還原電催化劑和高選擇性分子催化劑加以耦合，打造出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效 NAD(P)H 再生的普適性策略[4]。

（來源：JACS）

有望構建高效人工光合成體系，生成更多人工光合成高附加值產(chǎn)物

總的來說，針對硫化物電催化劑和銠分子催化劑對于電催化 NAD(P)⁺ 還原反應的協(xié)同效應，該團隊已經(jīng)完成了相關研究。

通過此，他們揭示了通過協(xié)同電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程促進銠-氫活性物種形成的仿生機制，以高活性、高選擇性的方式實現(xiàn)了 1,4-NAD(P)H 的再生。

但是，電催化 NAD(P)H 再生活性水平依舊有待提高。目前，產(chǎn)物生成的電流密度約 1mA/cm²，所生成的 NAD(P)H 濃度大約為 1mM 左右。

NAD(P)H 再生反應是一個還原氫化的過程，會伴隨著強烈的產(chǎn)氫競爭反應。

在上述研究之中，單獨使用 Ni₃S₂ 進行電催化 NAD(P)⁺ 還原時，NAD(P)H 產(chǎn)物的法拉第效率普遍低 10%，發(fā)生嚴重的產(chǎn)氫副反應。

在 Ni₃S₂- 銠耦合體系之中，NAD(P)H 產(chǎn)物的法拉第效率則能達到 56%，這說明產(chǎn)氫競爭反應已被顯著抑制。

即便如此，法拉第效率仍然有待進一步提高。要想實現(xiàn)這一目標，重中之重便是設計具有適當吸附氫性能的電極材料，并將活性氫有效地用于 NAD(P)⁺還原反應。

因此，該團隊將繼續(xù)秉持道法自然的原則，從結(jié)構和功能等多個層面進行仿生設計，爭取提升 NAD(P)H 的再生性能。

此外，在上述研究之中，他們使用酶催化谷氨酸合成反應來作為探針反應，以此來檢測 1,4-NAD(P)H 的選擇性。

同時，課題組已經(jīng)證明電催化再生的還原型輔酶 Ⅰ，能夠有效地用于人工催化劑催化的亞胺氫化還原反應[5]，為將來通過耦合酶催化暗反應進行二氧化碳轉(zhuǎn)化和氨基酸合成奠定基礎。

5.Tian, S., Long, G., Zhou, P., Liu, F., Zhang, X., Ding, C., & Li, C. (2024). A Coupled System of Ni₃S₂ and Rh Complex with Biomimetic Function for Electrocatalytic 1, 4-NAD (P) H Regeneration. Journal of the American Chemical Society.

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