工业生物催化反应中，一种名为NAD(P)H的辅酶因价格高达3000美元/摩尔且需 stoichiometric 消耗，成为制约产业化的“卡脖子”难题。近日，浙江师范大学杨启华团队在《Frontiers of Chemical Science & Engineering》发表综述，系统总结了光催化NAD(P)H再生技术的三大突破策略，部分体系转化率达98.5%，为低成本生物制造提供新路径。

从“耗电”到“太阳能供电”：光催化技术改写辅酶再生规则

NAD(P)H是生物体内90%氧化还原酶的“能量货币”，但传统化学或酶法再生需消耗大量能源和试剂。光催化再生技术则像“微型太阳能工厂”，通过半导体材料吸收阳光产生电子，将氧化态的NAD(P)+还原为活性辅酶。

“这一过程模拟了植物光合作用的核心原理。”研究团队解释，光催化体系由三部分组成：光催化剂（吸收光能）、电荷分离系统（传输电子）、表面反应中心（还原NAD(P)+）。三者协同效率决定了最终再生效果，就像“发电站-电网-工厂”的能源传输链，任何一环效率低下都会影响整体输出。

三大策略破解效率瓶颈：从材料到结构的全方位优化

策略一：让催化剂“看见”更多阳光

传统TiO₂催化剂仅能利用紫外光（占太阳能4%），团队通过氮掺杂将其改造成N-TiO₂@C，带隙从3.2 eV缩小至2.74 eV，可见光吸收率提升3倍，NADH产率从11.3%跃升至70.3%。更令人瞩目的是，一种名为PTF的COF薄膜催化剂实现了98.5%的转化率，且可重复使用6次无活性衰减。

策略二：给电子“修高速路”

电荷分离效率低如同“发电站电力在传输中大量损耗”。研究发现，构建Z型异质结（如PCN@PDBTS-HN）可使电子-空穴复合率降低60%，NADH产率达85.4%。而金-铑纳米花（Au@Rh NFs）通过等离子体效应，将电子密度提升10倍，进一步加速电子转移。

策略三：固定“分子中转站”减少损耗

昂贵的铑基电子 mediator（M）在溶液中易流失，团队将其锚定在MOFs、COFs等多孔材料上，如Rh@UiO-67催化剂使电子传输距离缩短至纳米级，TOF值（单位时间催化效率）达2.6 mmol·g⁻¹·h⁻¹，是物理混合体系的2倍。

产业化前夜：效率与成本的平衡艺术

尽管实验室数据亮眼，实际应用仍面临挑战。目前最优体系需使用贵金属铑（约1万美元/克），且部分催化剂稳定性不足。团队指出，开发无金属 mediator 系统或利用机器学习设计低成本材料是未来方向。例如，全共轭三嗪基COF在无M时仍实现45.5%的NADH产率，为廉价化开辟路径。

“理想的再生系统应像‘太阳能充电宝’，阳光一照就能给酶‘充电’。”研究者展望，未来通过整合光催化模块与生物反应器，有望将医药中间体、可降解塑料等产品的生产成本降低30%以上。

来源: 化学工程前沿FCSE