工業(yè)生物催化反應(yīng)中，一種名為NAD(P)H的輔酶因價(jià)格高達(dá)3000美元/摩爾且需 stoichiometric 消耗，成為制約產(chǎn)業(yè)化的“卡脖子”難題。近日，浙江師范大學(xué)楊啟華團(tuán)隊(duì)在《Frontiers of Chemical Science & Engineering》發(fā)表綜述，系統(tǒng)總結(jié)了光催化NAD(P)H再生技術(shù)的三大突破策略，部分體系轉(zhuǎn)化率達(dá)98.5%，為低成本生物制造提供新路徑。

從“耗電”到“太陽(yáng)能供電”：光催化技術(shù)改寫輔酶再生規(guī)則

NAD(P)H是生物體內(nèi)90%氧化還原酶的“能量貨幣”，但傳統(tǒng)化學(xué)或酶法再生需消耗大量能源和試劑。光催化再生技術(shù)則像“微型太陽(yáng)能工廠”，通過(guò)半導(dǎo)體材料吸收陽(yáng)光產(chǎn)生電子，將氧化態(tài)的NAD(P)+還原為活性輔酶。

“這一過(guò)程模擬了植物光合作用的核心原理。”研究團(tuán)隊(duì)解釋，光催化體系由三部分組成：光催化劑（吸收光能）、電荷分離系統(tǒng)（傳輸電子）、表面反應(yīng)中心（還原NAD(P)+）。三者協(xié)同效率決定了最終再生效果，就像“發(fā)電站-電網(wǎng)-工廠”的能源傳輸鏈，任何一環(huán)效率低下都會(huì)影響整體輸出。

三大策略破解效率瓶頸：從材料到結(jié)構(gòu)的全方位優(yōu)化

策略一：讓催化劑“看見”更多陽(yáng)光

傳統(tǒng)TiO?催化劑僅能利用紫外光（占太陽(yáng)能4%），團(tuán)隊(duì)通過(guò)氮摻雜將其改造成N-TiO?@C，帶隙從3.2 eV縮小至2.74 eV，可見光吸收率提升3倍，NADH產(chǎn)率從11.3%躍升至70.3%。更令人矚目的是，一種名為PTF的COF薄膜催化劑實(shí)現(xiàn)了98.5%的轉(zhuǎn)化率，且可重復(fù)使用6次無(wú)活性衰減。

策略二：給電子“修高速路”

電荷分離效率低如同“發(fā)電站電力在傳輸中大量損耗”。研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建Z型異質(zhì)結(jié)（如PCN@PDBTS-HN）可使電子-空穴復(fù)合率降低60%，NADH產(chǎn)率達(dá)85.4%。而金-銠納米花（Au@Rh NFs）通過(guò)等離子體效應(yīng)，將電子密度提升10倍，進(jìn)一步加速電子轉(zhuǎn)移。

策略三：固定“分子中轉(zhuǎn)站”減少損耗

昂貴的銠基電子 mediator（M）在溶液中易流失，團(tuán)隊(duì)將其錨定在MOFs、COFs等多孔材料上，如Rh@UiO-67催化劑使電子傳輸距離縮短至納米級(jí)，TOF值（單位時(shí)間催化效率）達(dá)2.6 mmol·g?1·h?1，是物理混合體系的2倍。

產(chǎn)業(yè)化前夜：效率與成本的平衡藝術(shù)

盡管實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)亮眼，實(shí)際應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。目前最優(yōu)體系需使用貴金屬銠（約1萬(wàn)美元/克），且部分催化劑穩(wěn)定性不足。團(tuán)隊(duì)指出，開發(fā)無(wú)金屬 mediator 系統(tǒng)或利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)低成本材料是未來(lái)方向。例如，全共軛三嗪基COF在無(wú)M時(shí)仍實(shí)現(xiàn)45.5%的NADH產(chǎn)率，為廉價(jià)化開辟路徑。

“理想的再生系統(tǒng)應(yīng)像‘太陽(yáng)能充電寶’，陽(yáng)光一照就能給酶‘充電’。”研究者展望，未來(lái)通過(guò)整合光催化模塊與生物反應(yīng)器，有望將醫(yī)藥中間體、可降解塑料等產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低30%以上。

來(lái)源: 化學(xué)工程前沿FCSE