利用太陽能等可再生能源將二氧化碳轉(zhuǎn)化并資源化是應(yīng)對和解決氣候變化和化石燃料消耗的重要手段之一。自然界中的天然金屬酶具有將二氧化碳還原為一氧化碳的高活性和高選擇性，且作用條件溫和。然而天然蛋白酶的高分子量與復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其難以得到充分的機(jī)理研究和實際應(yīng)用。近年來，人工設(shè)計、改造金屬蛋白酶以實現(xiàn)光催化二氧化碳還原得到了初步的發(fā)展，然而同時提高人工酶的活性和產(chǎn)物選擇性仍是非常大的挑戰(zhàn)。
近日，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的陸藝教授團(tuán)隊將肌紅蛋白與鈷卟啉進(jìn)行重組（CoMb），構(gòu)建了與光敏劑和犧牲電子供體一體的藍(lán)光催化二氧化碳還原為一氧化碳的光催化體系。相較于其它基于人工金屬酶的光催化體系，該體系的二氧化碳轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性具有顯著的提高。
在二氧化碳的催化還原反應(yīng)中，往往伴隨著將氫離子還原為氫氣的競爭反應(yīng)。該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，基于CoMb的光催化體系可以實現(xiàn)將近80%的產(chǎn)物選擇性。在優(yōu)化反應(yīng)條件的過程中，作者發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)金屬酶與光敏劑的相對濃度對實現(xiàn)高產(chǎn)物選擇性起到至關(guān)重要的作用。提高金屬酶的相對含量可以有效地抑制由光敏劑催化的氫離子還原反應(yīng)并促進(jìn)電子從光敏劑到金屬酶的迅速轉(zhuǎn)移。 值得一提的是，作者對CoMb的活性部位進(jìn)行改造，運用定點誘變引入支鏈帶有正電荷的精氨酸和賴氨酸，通過電荷作用來穩(wěn)定活化的二氧化碳分子。該方法將二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高近一倍的同時維持著較高的產(chǎn)物選擇性。該工作是人工改造金屬蛋白酶用以催化二氧化碳還原的又一重要進(jìn)展，為實現(xiàn)碳中和提供了綠色有效的新途徑。
論文信息 Engineering an Oxygen-Binding Protein for Photocatalytic CO2 Reductions in Water Dr. Yunling Deng, Dr. Sudharsan Dwaraknath, Wenhao O. Ouyang, Cory J. Matsumoto, Stephanie Ouchida, Prof.?Dr. Yi Lu 第一作者：鄧云羚博士和Sudharsan Dwaraknath博士 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202215719
