酚工业通过异丙苯氧化法生产苯酚时，每吨苯酚副产约0.6吨丙酮，全球年过剩量达~200万吨。传统丙酮市场需求有限，亟需可持续的升级方案。电催化可利用可再生能源将丙酮转化为中间体，但碳链延展能力有限；生物催化虽能合成复杂产物，但需无毒中间体。该项研究提出以纯IPA为桥梁，结合电催化与生物工程，解决了中间体毒性与效率问题，为工业副产物高值化利用提供了新策略。
针对以上问题，电子科技大学夏川教授、郑婷婷教授联合安徽工业大学校长/中国科学技术大学曾杰教授、中山大学于涛研究员等人提出了一种串联电化学生物系统，可将酚工业过剩的丙酮升级为高附加值长链化学品。通过开发一种插层钌（I-Ru）电催化剂，实现了丙酮向异丙醇（IPA）的高效转化（法拉第效率达95.6%，IPA分电流密度~240 mA cm⁻²）。
结合双极膜电极组件（BMEA）装置，实现了丙酮完全转化为~100%纯IPA。进一步通过代谢工程改造的酿酒酵母，以电化学生成的纯IPA为碳源，成功合成了对香豆酸、游离脂肪酸和番茄红素。该研究为工业副产物的升级利用提供了可持续路径，展示了电催化与生物催化结合在重塑传统化学工业中的潜力。
相关成果以“Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem”为题，于2025年5月26日发表在Nature Sustainability上。刘春晓为论文的第一作者，赵建康和汤红婷为论文的共同第一作者。
夏川，电子科技大学教授、博士生导师，国家青年人才计划入选者。作为“双碳”领域知名青年学者，他主持多项国家及省市级关键科研项目，在二氧化碳电化学转化领域取得了多项原创性突破。国际上首次提出并实现CO2固态电解质电解技术及“无机催化-生物催化杂合”概念，成功解决了CO2电解产物分离提纯与C-C偶联的技术难题，并率先实现从CO2到葡萄糖和油脂的人工合成。其研究成果受到《人民日报》、央视新闻和中新社等媒体的广泛报道。在过去五年中，夏川教授作为第一作者或通讯作者，在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Chem.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、PNAS等国内外高水平期刊共发表SCI论文20余篇，其中ESI高被引论文9篇，热点论文2篇。
值得注意的是，2025年5月23日，2024年度“中国35岁以下科技创新35人”（TR35）颁奖典礼上，夏川教授入选新一届“35岁以下科技创新35人”中国区名单，凭借在二氧化碳资源化利用领域的开创性研究，成为本年度最受瞩目的青年科技创新者之一。
图1 IPA介导的电化学和生物丙酮升级循环
图1展示了串联电化学生物系统的整体设计与技术经济分析。图a描述了通过空间分离的电催化和生物催化路径将过剩丙酮转化为高附加值化合物的过程。图b对比了电合成IPA（年产5万吨规模）与传统化石燃料路线的成本，显示在高于虚线区域时，电合成IPA更具经济竞争力。关键发现表明，无需下游分离的电催化过程成本（1.14美元/kg）低于传统热催化工艺（1.32美元/kg），且安全性更高。该设计通过平衡高选择性与低电力成本，验证了规模化应用的可行性。
图2 丙酮电还原应变Ru催化剂的表征及催化性能
图2展示了应变钌（I-Ru）催化剂的结构表征与电催化性能。图a的同步辐射XRD显示I-Ru的（101）晶面衍射角从21.79°降至20.52°，证实了晶格拉伸应变。图c显示I-Ru在-0.7 V vs. RHE下IPA法拉第效率达95.6%，分电流密度~240 mA cm⁻²，性能优于传统钌基催化剂。图d通过电化学活性面积归一化，表明拉伸应变抑制析氢反应，提升IPA本征活性。图e表明在流动池中连续运行600小时后，I-Ru仍保持93.5%的效率，验证其长期稳定性。
图3 丙酮电还原应变Ru催化剂的机理研究
图3通过原位FTIR和DFT计算揭示了应变钌的催化机制。图a-b对比I-Ru与H-Ru的红外光谱，显示I-Ru表面羰基（~1700 cm⁻¹）和水（~1650 cm⁻¹）消耗更显著，表明拉伸应变加速丙酮活化与质子转移。图c的自由能图显示，3%拉伸应变使第二步质子化能垒降低0.1 eV，促进IPA生成。d带中心上移和电子态密度变化进一步证实应变优化了钌的吸附与反应动力学。
图4 100%纯IPA的直接电合成
图4展示了纯IPA生产的BMEA装置设计与性能。图a-c对比了固态电解池（SSE）、阳离子膜组件（CMEA）和双极膜组件（BMEA）的结构差异，BMEA通过反向偏置设计有效抑制产物交叉。图d显示在4.0 V槽压下，BMEA的IPA法拉第效率达70%，分电流密度262 mA cm⁻²。图e-f通过¹H NMR验证了100%丙酮转化与IPA纯度（99 wt%）。g-h部分的10×10 cm²电堆试验表明，系统可稳定运行20小时，产能达100 ml丙酮完全转化，具备工业化潜力。
图5 电合成IPA的微生物发酵
图5展示了电合成IPA的微生物发酵应用。图a显示酿酒酵母在含IPA培养基中生长优于丙酮或无碳源条件。图b通过代谢工程构建了三条生物合成路径：对香豆酸（c）、游离脂肪酸（d）和番茄红素（e）。结果显示，以IPA为碳源时，对香豆酸产量提升21倍（4.45 mg/L），游离脂肪酸达67.27 mg/L，番茄红素产量提高33倍（9.70 mg/L）。与葡萄糖相比，IPA发酵避免了酸性环境调控需求，展现了其在生物制造中的独特优势。
该项研究开发了一种高效串联系统，将酚工业副产物丙酮电化学转化为纯IPA，并进一步通过微生物发酵生产高价值长链化合物。这一集成系统减少了废弃物积累，降低了对石化资源的依赖，体现了资源高效利用和循环制造的核心理念。未来研究将聚焦于优化BMEA装置以降低能耗，并扩展生物合成路径以生产更复杂的化学品，推动化学工业向循环经济转型。
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