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Ultrafast Conversion of CO 2 into C 3 –C 4 Diols in a Synergistic Electrochemical and AI-Assisted Biosynthesis System

化学 电化学 电催化剂 催化作用 基质(水族馆) 组合化学 纳米技术 生物催化 化学合成 级联 乙醇 原材料 有机化学 分子 级联反应 催化效率 反应机理 反应中间体 桥接(联网) 动力学 过程(计算) 键裂
作者
Yin Li,Bing Zhang,Yizhou Wu,Tang Tang,Aocong Guan,Qianqing Xu,Linqin Wang,Jianming Liu,Licheng Sun,An‐Ping Zeng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (43): 39827-39837 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c14039
摘要

Using CO2 as a feedstock to produce high-value chemicals is attractive but remains far from effective in terms of technical application. In particular, efficient conversion of CO2 into industrially important C3+ diols is still challenging. Here, we present a carbon-negative electrochemical-biosynthesis cascade system for synthesizing C3-C4 diols (1,3-propanediol, 1,3-PDO, and 1,3-butanediol, 1,3-BDO) directly from CO2 at exceptionally high productivities. This integrated platform combines a CuZn-catalyzed electrochemical CO2 reduction reactor operating at Ampere-level current densities (-1,100 mA cm-2) to produce ethanol (close to 1,200 μmol h-1 cm-2) with a biocatalytic module for C-C bond extension. A custom-designed J-T membrane prevents ethanol crossover, enabling accumulation to 4.6 g L-1 h-1, while engineered Thermotoga maritima DERA variants (S233D/F43T) exhibit enhanced catalytic efficiency through a synergistic approach combining AI and rational design, achieving a 1,3-PDO production rate of 1.8 g L-1 h-1. In situ spectroscopic studies reveal that the presence of key intermediates *CO and *OH, along with the formation of a hydrogen-bonding network, significantly enhances the electrochemical synthesis of ethanol, while molecular dynamics simulations clarify mutation-induced conformational changes in DERA that improve substrate affinity. The system's versatility is further demonstrated by extending ethanol to 1,3-BDO at 1.0 g L-1 h-1. This work establishes a scalable paradigm for synthesizing multi-carbon diols from CO2, bridging the gap between electrocatalysis and synthetic biology for sustainable manufacturing.
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