近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（下稱“大連化物所”）李燦院士和丁春梅研究員團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了太陽能光電催化仿生 NAD(P)H 輔酶的高效再生。

其中，1,4-NAD(P)H 選擇性達(dá)到 99%、轉(zhuǎn)化率接近 100%，能為構(gòu)建高效人工光合成體系奠定一定基礎(chǔ)。

日前，相關(guān)論文以《具有仿生功能的 Ni3S2 與銠配合物的電催化 1，4-NAD（P）H 再生耦合體系》（A Coupled System of Ni3S2 and Rh Complex with Biomimetic Function for Electrocatalytic 1,4-NAD(P)H Regeneration）為題發(fā)在 JACS。

圖 | 相關(guān)論文（來源：JACS）

大連化物所博士生田書杰是第一作者，大連化物所李燦院士和丁春梅研究員擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 丁春梅（來源：丁春梅）

據(jù)介紹，還原型輔酶 Ⅰ 或 II（簡稱 NAD(P)H），是一種重要的電荷傳輸媒介和能量載體，其造價(jià)非常昂貴。

在釋出電子和質(zhì)子之后，NAD(P)H 輔酶會(huì)變?yōu)檠趸瘧B(tài)，導(dǎo)致人們很難以化學(xué)計(jì)量的方式來使用它。因此，在使用 NAD(P)H 輔酶的時(shí)候，必須采取循環(huán)再生的方式。

在本研究中，再生得到的 NAD(P)H 可用于酶催化的谷氨酸合成等氫化還原反應(yīng)。此前，該課題組還發(fā)現(xiàn)：電催化再生的還原型輔酶 Ⅰ，能被直接用于人工催化劑催化的亞胺氫化反應(yīng)[1]。

因此，隨著光電催化領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，本次成果有望用于合成生物學(xué)酶催化反應(yīng)、太陽能人工光合成體系的構(gòu)筑，從而能夠通過太陽能來合成氨基酸、糖類等高值化合物。

（來源：JACS）

開發(fā)高效的電催化 NAD(P)H 再生催化劑

據(jù)了解，太陽能人工光合成——是完成“雙碳”目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)新能源轉(zhuǎn)型的重要路徑。國際社會(huì)對(duì)此亦是十分重視，美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)先后啟動(dòng)了一系列重大戰(zhàn)略計(jì)劃。

所謂的人工光合成，即利用太陽能將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氫氣、甲醇等高值產(chǎn)物，人們將這些高值產(chǎn)物統(tǒng)稱為“太陽能燃料”。

在上述背景之下，李燦團(tuán)隊(duì)在很早之前就開始研究太陽能人工光合成。

2001 年開始，該課題組先后布局了在光催化和光電催化人工光合成領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究，并研發(fā)了相關(guān)的先進(jìn)光譜表征技術(shù)。

在此基礎(chǔ)上，建成了液態(tài)太陽燃料的千噸級(jí)示范，以水和二氧化碳出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了綠氫和甲醇的規(guī)模化人工光合成制備。

盡管人們?cè)谌斯す夂铣深I(lǐng)域已經(jīng)取得重大進(jìn)展，然而依舊只能得到小分子燃料，難以生成更復(fù)雜的高值化合物。

而自然光合作用則能以二氧化碳和水為出發(fā)點(diǎn)，合成葡萄糖等碳水化合物。對(duì)于自然光合作用來說，它包含光反應(yīng)和暗反應(yīng)這兩大部分。

其中，光反應(yīng)在將水氧化之后，可以釋出電子和質(zhì)子，并儲(chǔ)存在還原型輔酶 Ⅱ（NADPH，nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）還原力和三磷酸腺苷中。

還原型輔酶 Ⅱ，是一種重要的電荷傳輸媒介和能量載體，能被用于酶催化開爾文循環(huán)暗反應(yīng)過程。

秉持道法自然的原則，李燦團(tuán)隊(duì)將人工光反應(yīng)和仿生暗反應(yīng)加以耦合，借此合成復(fù)雜的高值產(chǎn)物。

對(duì)于人工光反應(yīng)來說，它能捕獲太陽能、并將其儲(chǔ)存在高能還原力中，然后利用合成生物學(xué)酶催化暗反應(yīng)，來合成復(fù)雜的高值產(chǎn)物。

其中，NAD(P)H 輔酶的再生是最重要的一環(huán)，它是連接光反應(yīng)和暗反應(yīng)的橋梁。

在自然界中，90% 的氧化還原酶、以及大約 400 種脫氫酶催化反應(yīng)，NAD(P)H/NAD(P)+ 輔酶的參與必不可少。

而如何通過人工催化的方法，進(jìn)行高效的 NAD(P)H 再生循環(huán)，一直是領(lǐng)域內(nèi)的難題之一。

還原型輔酶 Ⅰ 和還原型輔酶 Ⅱ 這兩種分子都十分復(fù)雜，而 NAD(P)H 的再生需要 2 個(gè)電子和 1 個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，容易生成多種副產(chǎn)物。

對(duì)于生物體系中的 1,4-還原型輔酶 Ⅱ 來說，它是通過鐵氧還蛋白-NADP 還原酶（簡稱 FNR 酶）中的黃素腺嘌呤二核苷酸分子催化而來。

鐵氧還蛋白會(huì)將電子傳遞給黃素腺嘌呤二核苷酸，并將其還原，然后通過氫負(fù)轉(zhuǎn)移即可實(shí)現(xiàn) 100% 的空間選擇性。

此前，人工催化還原型輔酶再生面臨的最大難點(diǎn)是：具有生物活性的 1,4-NAD(P)H 產(chǎn)物的選擇性和活性都比較低。

而對(duì)于學(xué)界此前研發(fā)的直接電催化 NAD(P)+ 還原 1,4-NAD(P)H，其選擇性通常低于 70%，難以讓 NAD(P)H 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高活性、高選擇性的再生。

因此，該課題組將開發(fā)高效的電催化 NAD(P)H 再生催化劑，作為近期一系列研究的主要目標(biāo)。

選擇性達(dá)到 99.1%，轉(zhuǎn)化率接近 100%

此前，在同類實(shí)驗(yàn)中人們一般使用銠分子來作為媒介體。而該團(tuán)隊(duì)希望避開銠分子，直接進(jìn)行光電催化、或電催化 NAD(P)H 輔酶的再生，以避免銠分子對(duì)于后續(xù)反應(yīng)的影響。

研究中，他們通過采用多種金屬催化劑和碳材料，直接開展電催化還原型輔酶 Ⅰ 輔酶再生的研究。

但是，他們發(fā)現(xiàn)所生產(chǎn)的產(chǎn)物非常復(fù)雜，包含了 1,4-還原型輔酶 Ⅰ、1,6-還原型輔酶 Ⅰ、二磷酸腺苷-核糖等產(chǎn)物。

而具有生物活性的 1,4-還原型輔酶 Ⅰ 的選擇性僅為 60% 左右，同時(shí)課題組并沒有觀測到此前文獻(xiàn)中報(bào)道的 NAD2 副產(chǎn)物。

進(jìn)一步研究之后他們發(fā)現(xiàn)：對(duì)于銅表面的 NAD+ 還原來說，它傾向于吸附氫耦合電子轉(zhuǎn)移機(jī)理[2]。借此他們發(fā)現(xiàn)了電極表面吸附氫對(duì)于還原型輔酶Ⅰ 再生反應(yīng)的重要性。

進(jìn)一步地，為了解決 NAD(P)H 再生反應(yīng)的選擇性問題，該團(tuán)隊(duì)開展了進(jìn)一步的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在生物體系之中，很多加氫和脫氫酶的催化中心，都含有過渡金屬硫化物中心。

在此啟發(fā)之下，他們開發(fā)了一系列的金屬硫化物催化劑，其中包含一款名為 CoMo2.75Sx 的催化劑。

在無需外加銠分子來作為媒介體的條件下，CoMo2.75Sx 催化劑直接電催化 1,4-NAD(P)H 再生的選擇性能夠達(dá)到 91%[3]。

課題組還發(fā)現(xiàn)：上述過程和生物體系有著類似的氫負(fù)轉(zhuǎn)移過程，這說明它暗合了自然界酶催化還原型輔酶 Ⅱ 再生的機(jī)制。

但是，上述過程的活性依舊有待提高。而要想讓人工催化 NAD(P)+ 還原同時(shí)以較高的活性和選擇性生成 1,4-NAD(P)H，仍然是一件難事。

此前，有文獻(xiàn)報(bào)道稱：貴金屬銠配合物[Cp*銠(bpy)(H2O)]Cl2，能夠以高區(qū)域選擇性的方式，實(shí)現(xiàn)人工催化 1,4- 還原型輔酶 Ⅰ 的再生。其中，銠-氫是活性中間物，銠-氫物種的形成有著十分緩慢的動(dòng)力學(xué)，這就會(huì)導(dǎo)致活性很低。

這時(shí)，該團(tuán)隊(duì)注意到：具有適當(dāng)?shù)乃?質(zhì)子還原性能和氫吸附性能的金屬硫化物，可以通過電化學(xué)途徑生成活性氫。

課題組推測：這些活性氫可能會(huì)促進(jìn)銠分子氫化反應(yīng)產(chǎn)生銠-氫中間體以及 NAD+ 的還原過程。

基于這一推測，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了不同的硫化鎳（Ni3S2 和 NiS2）催化劑，并將其用于電催化 NAD+ 還原反應(yīng)。

同時(shí)，他們還通過耦合金屬硫化物和有機(jī)金屬配合物催化劑的優(yōu)勢，提升了 NAD(P)H 再生的活性和選擇性。

此外，課題組還發(fā)現(xiàn)：對(duì)于單獨(dú)硫化鎳催化劑來說，它其實(shí)是一種新型的 NAD(P)H 再生催化劑。

然而，它在以直接電催化的方式進(jìn)行 NAD(P)H 輔酶再生時(shí)，1,4-NAD(P)H 的選擇性僅有 80% 左右。

盡管采用銠分子催化的方式，的確可以高選擇地生成 1,4-NAD(P)H，但是所能實(shí)現(xiàn)的活性很低。

有意思的是，Ni3S2 催化劑和銠分子的耦合體系，則能同時(shí)以較高的效率和選擇性，使得 NAD(P)+ 還原生成 1,4-NAD(P)H。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：上述過程的選擇性達(dá)到 99.1%，轉(zhuǎn)化率接近 100%。

當(dāng)進(jìn)行“歸一化”處理之后，Ni3S2- 銠體系的 NAD+ 還原活性，分別是 Ni3S2 體系和銠分子體系的 5.8 倍和 13.2 倍，而這主要?dú)w功于 Ni3S2 和銠分子之間的協(xié)同效應(yīng)。

并且，其他的多種過渡金屬硫化物也能與銠分子產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

該團(tuán)隊(duì)表示：在 Ni3S2- 銠體系之中，作為協(xié)同電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移的媒介體，Ni3S2 能夠促進(jìn)銠-氫活性物種的形成，進(jìn)而可以促進(jìn) NAD(P)+ 還原反應(yīng)的發(fā)生。

而銠-氫物種則能和 NAD(P)+ 的煙酰胺發(fā)生相互作用，從而能夠以定向方式轉(zhuǎn)移氫負(fù)，進(jìn)而可以高選擇性地生成 1,4-NAD(P)H。

總的來說，Ni3S2 和銠分子耦合體系能夠模擬生物氧化還原酶的功能，為設(shè)計(jì)高效、高選擇性的 1,4-NAD(P)H 再生人工系統(tǒng)提供了新思路。

另外，課題組發(fā)現(xiàn)其他多種金屬和銠分子催化劑，也能體現(xiàn)類似的協(xié)同效應(yīng)。

于是，他們又將質(zhì)子還原電催化劑和高選擇性分子催化劑加以耦合，打造出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效 NAD(P)H 再生的普適性策略[4]。

（來源：JACS）

有望構(gòu)建高效人工光合成體系，生成更多人工光合成高附加值產(chǎn)物

總的來說，針對(duì)硫化物電催化劑和銠分子催化劑對(duì)于電催化 NAD(P)+ 還原反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了相關(guān)研究。

通過此，他們揭示了通過協(xié)同電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程促進(jìn)銠-氫活性物種形成的仿生機(jī)制，以高活性、高選擇性的方式實(shí)現(xiàn)了 1,4-NAD(P)H 的再生。

但是，電催化 NAD(P)H 再生活性水平依舊有待提高。目前，產(chǎn)物生成的電流密度約 1mA/cm2，所生成的 NAD(P)H 濃度大約為 1mM 左右。

NAD(P)H 再生反應(yīng)是一個(gè)還原氫化的過程，會(huì)伴隨著強(qiáng)烈的產(chǎn)氫競爭反應(yīng)。

在上述研究之中，單獨(dú)使用 Ni3S2 進(jìn)行電催化 NAD(P)+ 還原時(shí)，NAD(P)H 產(chǎn)物的法拉第效率普遍低 10%，發(fā)生嚴(yán)重的產(chǎn)氫副反應(yīng)。

在 Ni3S2- 銠耦合體系之中，NAD(P)H 產(chǎn)物的法拉第效率則能達(dá)到 56%，這說明產(chǎn)氫競爭反應(yīng)已被顯著抑制。

即便如此，法拉第效率仍然有待進(jìn)一步提高。要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重中之重便是設(shè)計(jì)具有適當(dāng)吸附氫性能的電極材料，并將活性氫有效地用于 NAD(P)+還原反應(yīng)。

因此，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)秉持道法自然的原則，從結(jié)構(gòu)和功能等多個(gè)層面進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，爭取提升 NAD(P)H 的再生性能。

此外，在上述研究之中，他們使用酶催化谷氨酸合成反應(yīng)來作為探針反應(yīng)，以此來檢測 1,4-NAD(P)H 的選擇性。

同時(shí)，課題組已經(jīng)證明電催化再生的還原型輔酶 Ⅰ，能夠有效地用于人工催化劑催化的亞胺氫化還原反應(yīng)[5]，為將來通過耦合酶催化暗反應(yīng)進(jìn)行二氧化碳轉(zhuǎn)化和氨基酸合成奠定基礎(chǔ)。

假如將本次成果用于光電催化 NAD(P)H 的再生、并和下游的多種酶催化反應(yīng)耦合，則有望構(gòu)建高效的人工光合成體系，生成更多的人工光合成高附加值產(chǎn)物。

參考資料：

1.Sci. Sin. Chim. 2024, DOI: 10.1360/SSC-2024-0052

2.Chem. Sci. 2022, 13(45), 13361-13367

3.ChemCatChem 2023, 15, e202300009

4.J. Phy. Chem. C 2024, 128(14), 5927-5933

5.Tian, S., Long, G., Zhou, P., Liu, F., Zhang, X., Ding, C., & Li, C. (2024). A Coupled System of Ni3S2 and Rh Complex with Biomimetic Function for Electrocatalytic 1, 4-NAD (P) H Regeneration. Journal of the American Chemical Society.