Bifunctional RhIII-Complex-Catalyzed CO2 Reduction and NADH Regeneration for Direct Bioelectrochemical Synthesis of C3 and C4

催化作用 双功能 化学 电催化剂 立体化学 电化学 有机化学 物理化学 电极
作者
Hailong Li,Yizhou Wu,Yuxuan Wang,Yuxuan Wang,Kai Zhang,Jin Zhu,Yuan Ji,Tao Gu,Weixuan Nie,Licheng Sun,Yajie Wang,Yajie Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (22): 17201-17208 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c05457
摘要

Bioelectrochemical synthesis is emerging as an ecofriendly method for CO2 fixation, typically using electrochemically regenerated NAD(P)H to supply reducing equivalents for formate dehydrogenase (FDH) to convert CO2 to formate. However, the efficiency of this process is hindered by unfavorable thermodynamic conditions. In this study, we developed a one-pot bioelectrochemical system featuring a rhodium-based catalyst [Cp*Rh(bpy)Cl]2+ (RhIII-complex or [RhIII-H2O]2+), which works cooperatively with enzymatic cascades involving acetyl-CoA synthase (ACS), acetaldehyde dehydrogenase (ACDH), alcohol dehydrogenase (ADH), formolase (FLS), and d-fructose-6-phosphate aldolase mutant FSAA129S to convert CO2 into various C2+ chemicals. The bifunctional RhIII-complex concurrently catalyzes gas-phase reduction of CO2 to formate at 15.8 mM/h and NADH regeneration at 0.24 mM/min. Formate production is 83.2 times faster than using one of the best aerobic FDHs from Clostridium ljungdahlii (ClFDH), resulting in a 3.6-fold increase in methanol production rate (0.43 mM/h) compared to the tandem enzymatic system (0.12 mM/h). Additionally, the bifunctional RhIII-complex cooperates with enzymatic cascades to produce dihydroxyacetone (C3) and L-erythrulose (C4) with yields of 2.63 and 1.93 mM, respectively. This study highlights the synergy between electrochemical and enzymatic catalysis, providing an alternative for electroenzymatic CO2 reduction to produce value-added C2+ compounds with enhanced productivity.
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