酚工業通過異丙苯氧化法生產苯酚時，每噸苯酚副產約0.6噸丙酮，全球年過剩量達~200萬噸。傳統丙酮市場需求有限，亟需可持續的升級方案。電催化可利用可再生能源將丙酮轉化為中間體，但碳鏈延展能力有限；生物催化雖能合成復雜產物，但需無毒中間體。該項研究提出以純IPA為橋梁，結合電催化與生物工程，解決了中間體毒性與效率問題，為工業副產物高值化利用提供了新策略。

針對以上問題，電子科技大學夏川教授、鄭婷婷教授聯合安徽工業大學校長/中國科學技術大學曾杰教授、中山大學于濤研究員等人提出了一種串聯電化學生物系統，可將酚工業過剩的丙酮升級為高附加值長鏈化學品。通過開發一種插層釕（I-Ru）電催化劑，實現了丙酮向異丙醇（IPA）的高效轉化（法拉第效率達95.6%，IPA分電流密度~240 mA cm?2）。

結合雙極膜電極組件（BMEA）裝置，實現了丙酮完全轉化為~100%純IPA。進一步通過代謝工程改造的釀酒酵母，以電化學生成的純IPA為碳源，成功合成了對香豆酸、游離脂肪酸和番茄紅素。該研究為工業副產物的升級利用提供了可持續路徑，展示了電催化與生物催化結合在重塑傳統化學工業中的潛力。

相關成果以“Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem”為題，于2025年5月26日發表在Nature Sustainability上。劉春曉為論文的第一作者，趙建康和湯紅婷為論文的共同第一作者。

圖1 IPA介導的電化學和生物丙酮升級循環

圖1展示了串聯電化學生物系統的整體設計與技術經濟分析。圖a描述了通過空間分離的電催化和生物催化路徑將過剩丙酮轉化為高附加值化合物的過程。圖b對比了電合成IPA（年產5萬噸規模）與傳統化石燃料路線的成本，顯示在高于虛線區域時，電合成IPA更具經濟競爭力。關鍵發現表明，無需下游分離的電催化過程成本（1.14美元/kg）低于傳統熱催化工藝（1.32美元/kg），且安全性更高。該設計通過平衡高選擇性與低電力成本，驗證了規模化應用的可行性。

圖2 丙酮電還原應變Ru催化劑的表征及催化性能

圖2展示了應變釕（I-Ru）催化劑的結構表征與電催化性能。圖a的同步輻射XRD顯示I-Ru的（101）晶面衍射角從21.79°降至20.52°，證實了晶格拉伸應變。圖c顯示I-Ru在-0.7 V vs. RHE下IPA法拉第效率達95.6%，分電流密度~240 mA cm?2，性能優于傳統釕基催化劑。圖d通過電化學活性面積歸一化，表明拉伸應變抑制析氫反應，提升IPA本征活性。圖e表明在流動池中連續運行600小時后，I-Ru仍保持93.5%的效率，驗證其長期穩定性。

圖3 丙酮電還原應變Ru催化劑的機理研究

圖3通過原位FTIR和DFT計算揭示了應變釕的催化機制。圖a-b對比I-Ru與H-Ru的紅外光譜，顯示I-Ru表面羰基（~1700 cm?1）和水（~1650 cm?1）消耗更顯著，表明拉伸應變加速丙酮活化與質子轉移。圖c的自由能圖顯示，3%拉伸應變使第二步質子化能壘降低0.1 eV，促進IPA生成。d帶中心上移和電子態密度變化進一步證實應變優化了釕的吸附與反應動力學。

圖4 100%純IPA的直接電合成

圖4展示了純IPA生產的BMEA裝置設計與性能。圖a-c對比了固態電解池（SSE）、陽離子膜組件（CMEA）和雙極膜組件（BMEA）的結構差異，BMEA通過反向偏置設計有效抑制產物交叉。圖d顯示在4.0 V槽壓下，BMEA的IPA法拉第效率達70%，分電流密度262 mA cm?2。圖e-f通過1H NMR驗證了100%丙酮轉化與IPA純度（99 wt%）。g-h部分的10×10 cm2電堆試驗表明，系統可穩定運行20小時，產能達100 ml丙酮完全轉化，具備工業化潛力。

圖5 電合成IPA的微生物發酵

圖5展示了電合成IPA的微生物發酵應用。圖a顯示釀酒酵母在含IPA培養基中生長優于丙酮或無碳源條件。圖b通過代謝工程構建了三條生物合成路徑：對香豆酸（c）、游離脂肪酸（d）和番茄紅素（e）。結果顯示，以IPA為碳源時，對香豆酸產量提升21倍（4.45 mg/L），游離脂肪酸達67.27 mg/L，番茄紅素產量提高33倍（9.70 mg/L）。與葡萄糖相比，IPA發酵避免了酸性環境調控需求，展現了其在生物制造中的獨特優勢。

該項研究開發了一種高效串聯系統，將酚工業副產物丙酮電化學轉化為純IPA，并進一步通過微生物發酵生產高價值長鏈化合物。這一集成系統減少了廢棄物積累，降低了對石化資源的依賴，體現了資源高效利用和循環制造的核心理念。未來研究將聚焦于優化BMEA裝置以降低能耗，并擴展生物合成路徑以生產更復雜的化學品，推動化學工業向循環經濟轉型。

Liu, C., Zhao, J., Tang, H. et al. Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem. Nat Sustain (2025). https://doi.org/10.1038/s41893-025-01568-y

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