郭俊凌教授团队在植物多酚超分子介晶驱动非酶类蛋白水相光催化CO2还原研究中取得重要进展

近日，实验室郭俊凌教授团队与华西口腔医院国家口腔疾病临床医学研究中心/口腔疾病防治全国重点实验室赵志河教授团队合作在国际顶级期刊《ACS Nano》（中科院一区TOP，IF=16.1）发表了题为“Activating non-enzymatic hemoglobin for highly selective CO₂-to-formate photoreduction in water through supramolecular phenolic mesocrystal encapsulation”的研究论文。该论文的通讯作者为实验室郭俊凌教授、我校华西口腔医学院廖文副教授以及实验室博士后洪工画。第一作者为实验室谢秋萍博士。

图1 叶绿素仿生纳米光系统（Hb-EA nanohybrid）示意图

全球化石燃料二氧化碳排放量持续处于高位，推动将二氧化碳转化为高值燃料或化学品的可持续技术发展，既是能源与材料科学的挑战，也是实现负碳循环的关键。当前光催化CO₂还原体系虽多，但在性能、选择性与规模化成本上常难以兼得，亟需开发兼具高活性、高经济性的可持续转化新策略。我院郭俊凌教授团队另辟蹊径，首创性提出并构建了一种全新的叶绿体仿生全生物基纳米光系统（血红蛋白-鞣花酸（Hb-EA）纳米杂化物）（图1）。该系统借鉴自然光合作用的精巧架构，首次成功活化非酶蛋白（血红蛋白，Hb），依靠其嵌入式的血红素活性中心，结合天然多酚光敏剂，在水相中实现了高效、高选择性的CO₂光还原产甲酸。Hb-EA纳米杂化物展现出了极佳的成本归一化产率（397.61 µmol h⁻¹USD⁻¹）和高达~93%的选择性，大幅超越了美国能源部碳负计划提出的经济效益阈值，为未来规模化太阳能驱动CO₂转化提供了极具潜力的新范式。

图2Hb-EA纳米杂化物的实际光催化CO₂性能与评估

Hb-EA纳米杂化物能够通过EA介晶纳米壳层吸收光能并产生光生电子，随后电子沿π–π堆积通道高效传输至Hb核心，实现CO₂的定向还原（图2a）。能带分析表明，其导带位置满足CO₂还原为甲酸的热力学要求（图2b-d），并在光照与CO₂条件下表现出显著增强的电流响应（图2e）。产物分析与¹³CO₂同位素实验进一步证实，甲酸为主要还原产物且来源于外部CO₂（图2f-g）。在可见光照射下，Hb-EA纳米杂化物的甲酸产率达到18.29 ± 0.87 μmol g⁻¹h⁻¹，远高于Hb与EA物理混合体系（图2h），同时实现高达93 ± 3%的甲酸选择性（图2i-k），性能接近贵金属光催化剂水平。此外，该体系还具有优异的循环稳定性，并成功构建了0.6 m²的大面积太阳能CO₂转化膜反应器，在自然光条件下实现稳定甲酸生成（图2l-r）。技术经济与生命周期评估结果表明，该体系兼具低成本、高可持续性与净负CO₂排放优势（图2n-q,s），展现出良好的工业化应用潜力。

论文信息：

Activating non-enzymatic hemoglobin for highly selective CO₂-to-formate photoreduction in water through supramolecular phenolic mesocrystal encapsulation. Qiuping Xie, Yiran Pu, Yunxiang He, Wei Ding, Qinling Liu, Siqi Deng, Tingting Gou, Shuyun Li, Xiaoling Wang, Gonghua Hong*, Wen Liao*, Ian Manners, and Junling Guo*,ACSNano, 2026, 20(21):15435–15448.

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.6c03683