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当前的柴油需求大多依赖化石燃料，这给全球气候变化带来巨大压力。生物柴油作为化石柴油的替代品，因其绿色可再生的特点而备受关注。然而，传统生物柴油生产效率低，土地利用需求高，难以满足当前的能源需求。本文提出了一种全新的电化学生物柴油（Electro-Biodiesel）生产方法，将电催化CO₂还原反应与微生物生物转化相结合，通过协同设计催化剂和微生物，实现了从CO₂到脂类的高效转化。这一方法不仅显著提高了转化效率，还显著减少了土地需求和碳排放。
成果简介
通过优化电催化和微生物代谢路径，研究团队实现了太阳能到分子（Solar-to-Molecule）效率达到4.5%，并将CO₂转化为脂类，用于生物柴油的生产。该系统通过电催化生成生物兼容的C₂+中间体（如乙醇和乙酸），并通过微生物高效转化为脂类。此外，该方法所需土地仅为传统大豆生物柴油的1/45，为当前生物燃料提供了经济高效的替代方案。
研究亮点
高效电化学CO₂还原反应（CO₂RR）
设计了掺锌铜基催化剂，实现了乙酸和乙醇比例的优化，提高了CO₂到脂类的转化效率。协同设计微生物与催化剂
通过代谢工程改造R. jostii RHA1菌株，缓解了乙醇利用中的酸化压力和还原当量失衡问题，显著提升脂类产量。集成系统高效性
开发了连续兼容的电化学-生物转化系统，在实验室条件下实现了每天每升1,840.2毫克脂类的生产率。
配图精析
图1：CO₂到柴油的不同路径示意图，展示了传统光合作用、生物柴油和电化学生物柴油的能效对比。
图2：微生物R. jostii RHA1在乙醇和乙酸条件下的代谢响应及脂类合成效率的实验与模拟结果对比。
图3：电催化生成乙酸和乙醇的掺锌铜基催化剂设计及其乙酸/乙醇比的调控效果。
图4：基于R. jostii RHA1改造菌株的脂类合成代谢路径优化示意图，包括还原当量与ATP的平衡调控。
图5：集成的电化学-生物转化系统设计，展示了电催化和生物转化单元的协同工作机制。
图6：电化学生物柴油系统的能效评估及经济分析，揭示其与传统生物燃料生产的竞争优势。
展望
该研究通过协同设计催化剂和微生物，构建了高效的电化学生物柴油系统，显著提升了CO₂转化效率并降低了生产成本。这一方法展示了电化学与生物技术结合在可再生能源领域的巨大潜力，未来有望推动电化学生物柴油的商业化应用，并为减缓气候变化做出重要贡献。
文献信息
期刊：Joule
DOI：10.1016/j.joule.2024.10.001
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.10.001
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