甘油作為生物柴油生產中的關鍵副產物，全球產量預計到2025年將達到約630萬噸，但其商品價值有限，因此高效升級這一可再生資源對于化學工業和可持續發展具有重要意義。然而，甘油含有三個羥基的高度官能化結構使得在溫和條件下實現其選擇性轉化極具挑戰性。傳統的熱催化過程往往導致非選擇性的C?C鍵斷裂，將甘油降解為C1產物（如甲酸和CO2），不僅經濟價值低，還會造成溫室氣體排放；而常規的光電化學（PEC）系統雖然能獲得C2或C3產物（如二羥丙酮、甘油醛等），但難以保留C3骨架并進一步延長碳鏈。相比之下，將甘油升級為更長碳鏈的高值化合物（如六碳糖山梨糖）具有顯著的經濟和環境優勢，但無機催化劑無法催化高度羥基化環境中的C?C鍵形成，而酶催化雖能實現該過程卻通常需要多步反應，增加了成本和系統復雜性。因此，發展一種能夠在太陽光驅動下將甘油轉化為更長碳鏈化合物的光電催化-生物催化串聯系統成為本研究的核心目標。

成果簡介

針對以上難題，中國科學技術大學的熊宇杰、劉東、高超團隊聯合香港城市大學劉彬等研究者報道了一種空間解耦的光電催化-酶催化串聯系統，能夠高效地將甘油升級為山梨糖——一種在食品、制藥和化妝品工業中廣泛應用的六碳糖。

該系統采用WO3-Bi光陽極，在模擬太陽光照射下選擇性地將甘油氧化為兩種不同的三碳產物：甘油醛和二羥丙酮，其C3產物選擇性高達95.5%，表觀量子產率達到40.55%。隨后，這兩種三碳產物通過突變型果糖-6-磷酸醛縮酶（FSA L107S/A129S）催化的醛醇加成反應發生偶聯，生成單一六碳產物山梨糖。

通過將WO3-Bi光陽極與Si光陰極耦合，并在太陽光照射下運行，該系統無需外部能量輸入即可實現31.66 mmol genzyme?1?h?1的山梨糖產率，總太陽能到化學能的轉換效率為1.92%。該工作為在室溫常壓條件下將生物質衍生的甘油選擇性升級為高值六碳化學品提供了一種綠色、高效的可持續平臺。

相關研究成果以“Upgrading glycerol to sorbose via a tandem photoelectrocatalysis–enzyme catalysis relay”為題，發表在Nature Sustainability上。

圖文導讀

圖1 一種將甘油轉化為皂糖的光電催化-生物催化接力系統

圖1展示了光電催化-酶催化串聯系統將甘油轉化為山梨糖的整體設計思路和性能對比。圖1a通過示意圖對比了不同催化方法（傳統熱催化、電催化和本工作提出的光電催化-生物催化串聯）在甘油升級路徑上的差異，突出了本系統保留C3骨架并實現C3→C6轉化的獨特優勢。圖1b顯示了WO3–Bi光陽極在不同波長光照下C3產物的表觀量子產率（AQY）及其紫外-可見吸收光譜，在365 nm處AQY高達40.55%，表明Bi摻雜顯著拓寬了光響應范圍并提高了光量子利用效率。圖1c將WO3–Bi光陽極與其他常見光陽極（如TiO2、ZnO、BiVO4）在C3產物選擇性方面進行了比較，WO3–Bi在0.8 V vs. RHE條件下達到95.5%的C3選擇性，遠優于文獻報道的其他體系。圖1d展示了采用不同光陽極的串聯系統在100 mW cm?2光照下的山梨糖產率，只有WO3–Bi能夠同時產生足夠選擇性的二羥丙酮和甘油醛以驅動后續酶反應，從而實現了31.66 mmol genzyme?1?h?1 的山梨糖產率，而TiO2和BiVO4等體系雖能產生C3產物卻無法進一步轉化為C6產品。這些結果共同表明，WO3–Bi光陽極獨特的兩電子氧化產物分布是成功實現串聯催化的關鍵。

結論展望

該項研究構建的光電催化-酶催化串聯系統成功實現了從生物質平臺分子甘油到高值六碳糖山梨糖的太陽能驅動轉化。通過Bi摻雜調控WO3光陽極的表面性質（增強疏水性、引入氧空位、提升空穴遷移率），有效抑制了甘油過度氧化和C?C鍵斷裂，從而以高選擇性同時生成甘油醛和二羥丙酮這兩種關鍵三碳中間體。進一步利用定向進化的FSA雙突變體（L107S/A129S），顯著提高了對二羥丙酮的底物親和力和催化周轉效率，實現了溫和條件下三碳中間體向六碳產物的高效酶促偶聯。將WO3-Bi光陽極與Si光陰極串聯構成無偏壓雙電極系統，能夠直接利用太陽光驅動整個反應，且在24小時連續運行中保持穩定。生命周期評估和技術經濟分析表明，該串聯路線在大多數環境影響類別上優于傳統熱催化和新興電催化工藝。這項工作不僅為甘油的高值化利用提供了一種碳節約型的新策略，也展示了光電催化與生物催化在中間體調控、界面電荷利用和操作條件匹配等方面的深度兼容性，為未來模塊化、連續化的生物質精煉過程奠定了基礎。

文獻信息

Liu, C., Liu, G., Liu, Z. et al. Upgrading glycerol to sorbose via a tandem photoelectrocatalysis–enzyme catalysis relay. Nat Sustain (2026). https://doi.org/10.1038/s41893-026-01856-1

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