近日，中国科学技术大学仿生界面材料科学全国重点实验室刘东老师课题组与化学与材料科学学院熊宇杰教授/高超教授团队、香港城市大学刘彬教授团队合作，成功构建了一种结合了光电催化和酶催化的接力催化体系，实现了生物质重要平台分子甘油向六碳高值产物山梨糖的高效转化。该体系利用铋掺杂的氧化钨光阳极选择性地氧化甘油，生成两种三碳中间体——甘油醛和二羟基丙酮；随后通过突变型果糖-6-磷酸醛缩酶催化羟醛缩合反应实现碳链增长，将三碳分子进一步转化为六碳高值产物——山梨糖。相关成果以“Upgrading glycerol to sorbose via a tandem photoelectrocatalysis–enzyme catalysis relay”为题发表在《自然·可持续性》上（Nature Sustainability DOI: 10.1038/s41893-026-01856-1）。
甘油是生物柴油的重要副产物，来源广泛，但附加值相对有限。因此，将甘油转化为更高价值的长碳链化合物，成为提升生物质资源利用效率的重要方向。然而，传统的氧化过程只能将甘油氧化为其他三碳化合物，并且容易发生过度氧化，导致三碳骨架断裂，生成附加值较低的二碳或一碳化合物。因此，如何在温和的条件下避免甘油过度氧化并实现其碳链增长，成为了该领域长期面临的挑战。山梨糖是一类重要的六碳糖，可广泛应用于食品、药品和化妆品等领域。若能将生物质平台分子甘油高选择性地转化为六碳山梨糖，将具有重大的科学意义和产业价值。
针对这一问题，研究团队设计了铋掺杂氧化钨光阳极，用于调控甘油的光电催化氧化路径。与传统上单纯追求强氧化能力的催化体系不同，该工作更关注电极表面的界面微环境调控。研究发现，光阳极表面的亲疏水特性能够影响界面水分子的排列方式和氢键网络强度。适度疏水的表面有助于削弱中间体与界面水之间过强的氢键作用，降低醛类中间体的水合和深度氧化倾向，从而更好地保护三碳骨架。与此同时，铋掺杂进一步调节了表面对甘油不同羟基位点的吸附能力，使反应能够在甘油醛和二羟基丙酮之间形成更适合后续酶催化反应的产物比例。
基于这一界面调控策略，铋掺杂氧化钨光阳极实现了95.5%的三碳产物选择性，并能够同时生成甘油醛和二羟基丙酮，为后续羟醛缩合反应提供了关键底物。研究人员进一步引入经过半理性突变的果糖-6-磷酸醛缩酶突变体，使甘油醛和二羟基丙酮发生碳碳键偶联，生成六碳产物山梨糖。通过光电催化与酶催化的接力耦合，该体系实现了甘油从三碳平台分子到六碳糖产物的连续升级转化，无需对中间体进行额外分离和纯化。
该研究不仅结合了无机光电催化和生物酶催化，更从界面微环境的角度揭示了甘油选择性氧化的调控机制。通过调节光阳极表面的亲疏水性质、界面水结构和氢键网络，有效稳定了易进一步反应的三碳中间体，再由后端酶催化羟醛缩合实现碳碳键的精准构建。无需分离中间体，具有条件温和、能耗低和碳利用率高等优点。这种模块化的接力催化策略有望应用于更多平台分子的长碳链升级转化过程，为生物炼制以及可持续化学品的合成提供了一种新的技术路径。
中国科学技术大学纳米科学技术学院博士研究生刘彩怡、化学与材料科学学院化学高层次人才培养中心博士后刘光宇和博士研究生刘泽华是本论文共同第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金、安徽省高校协同创新项目、香港城市大学、中国博士后科学基金等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01856-1
（仿生界面材料科学全国重点实验室、纳米科学技术学院、科研部）
