文章介绍了张以恒教授提出的电-碳水化合物-氢（ECHo）循环的概念与目标。该循环旨在通过高效转换初级能源和次级能源，实现可持续性革命。其核心是电力-碳水化合物（如淀粉）-氢气之间的转换。ECHo循环具有突破性的进展，如人工光合作用和呼吸作用，能够实现高效能源转换，并推动化学工业向更可持续和环境友好的方向发展。该循环的应用场景广泛，包括手性化合物、可降解糖电池、氢气、糖氢燃料电池汽车等。
张以恒教授提出的电-碳水化合物-氢（ECHo）循环，旨在通过高效转换初级能源和次级能源，实现可持续性革命。其核心是电力-碳水化合物（如淀粉）-氢气之间的转换。
ECHo循环在人工光合作用和呼吸作用方面取得突破性进展，能够实现高效能源转换，推动化学工业向更可持续和环境友好的方向发展。
ECHo循环的应用场景包括手性化合物、可降解糖电池、氢气、糖氢燃料电池汽车、高密度电力存储到合成淀粉等的转化。
ECHo循环的概念与核心目标
在现代文明的发展中，人类社会的繁荣在很大程度上依赖于化石燃料和可再生能源，如生物质、风能和太阳能。然而，随着全球人口的不断增长和资源的日益限制，如何高效获取、存储、利用能源，以及平衡食品和水资源的需求，已成为全球性挑战。为应对这一挑战，中国科学院天津工业生物技术研究所的张以恒教授于2011年开始就提出了电-碳水化合物-氢（Electricity-Carbohydrate-Hydrogen，ECHo）循环的概念[1]，基于体外合成生物学持续研发[2, 3]，全新构建人工光合作用[3-5]与呼吸作用[6, 7]的ECHo循环，突破了生物体的代谢速度与能效极限，旨在通过高效转换初级能源和次级能源，实现可持续性革命[1, 4]。
ECHo循环的核心目标是实现电力-碳水化合物（如淀粉）-氢气三者之间的高效相互转换（图1）。氢气和电力是人类使用最为广泛的能源，但它们的存储和运输存在一定的问题。碳水化合物不仅是食品、饲料、液体生物燃料和可再生材料的来源，也是高密度氢载体（高达14.8%重量比）和储电化合物（超过3度电每公斤淀粉），并且储运安全。此外，下一代生物炼制厂基于人工光合作用，具有超高能源效率和节水利用能力，能够从氢/电和CO2中大量生产碳水化合物和其他生物商品[1, 4]。
图1. ECHo循环，展示了初级能源以及二次能源之间的相互转换[1]
ECHo循环的应用
ECHo循环以可再生的初级能源进行驱动，通过高效转换初级能源和次级能源，可实现CO2、非粮的木质纤维素原料、有机废弃物等到手性化合物、可降解糖电池、氢气、糖氢燃料电池汽车、高密度电力存储到合成淀粉等的转化（图2）。这不仅能够满足人类对食品、生物燃料和环境的需求，还能推动化学工业向更加可持续和环境友好的方向发展。
图2. ECHo循环中三种二次能源载体之间相互转换的应用场景。E代表电能，C代表碳水化合物，H代表氢能)[1]
ECHo循环的突破性进展
人工光合作用
ECHo循环技术通过人工光合作用为实现可持续化学品生产提供了一种全新的解决方案。基于天然的光合作用原理，整合高效太阳能电池、水电解和ivBT的多酶分子机器介导的生物CO2固定过程构建人工仿生光学体系，可实现人工光合作用，其比自然植物光合作用更高的能量转换效率[3, 5]。在自然植物光合作用中，太阳能转化为化学能的效率平均仅为0.2-0.3%，而人工光合作用技术的理论效率可高达51%，预估能效超过10%[3]。此外，人工仿生光学体系在水分利用、土地使用、营养需求等方面也展现出显著优势，为实现可持续发展和环境保护带来了全新策略（图3）。
图3 自然植物光合作用和人工仿生光合作用的理论效率对比[3]
生物体（如植物、动物）选择淀粉作为储能介质，但是人类目前的工业社会选择化石能源，可能是因为基于淀粉代谢的呼吸作用速度慢、效率低。针对热力学定律的能效限制，设计革命性新动力体系，耦合熵驱动糖水制氢反应（~22%∆H增益）与非卡洛热机限制的PEMF[6, 7]，将是人类历史化学能到电能效率最高体系，建立了全新的人工呼吸作用体系（图4）。
图4《MIT Tech Rev》淀粉驱动汽车[8]长远来看，基于ivBT的人工光合作用与人工呼吸作用形成的ECHo循环，可构建以淀粉作为新储能载体（14.8%H2, >3KWh/kg）的零碳能源体系，将创造性实现粮食安全、能源安全与双碳目标。
参考文献
[1] Y, -H Percival Zhang and Wei-Dong Huang. Construction the electricity-carbohydrate-hydrogen cycle for a sustainability revolution. Trends in Biotechnology, 2012, 30(6), 301-306.[2] Y.-H Percival Zhang. Simpler Is Better: High-Yield and Potential Low-Cost Biofuels Production through Cell-Free Synthetic Pathway Biotransformation (SyPaB). ACS Catalysis, 2011, 1, 998-1009.[3] Y, -H Percival Zhang, Chun You, Hongge Chen, and Rui Feng. Surpassing Photosynthesis: High-Efficiency and Scalable CO2 Utilization through Artificial Photosynthesis. Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry. American Chemical Society, 2012. 275-292. [4] Y, -H Percival Zhang. Next generation biorefineries will solve the food, biofuels, and environmental trilemma in the energy-food-water nexus. Energy Science & Engineering. 2013, 1(1): 27-41.[5] Cai, T., Sun, H., Qiao, J., Zhu, L., Zhang, F., Zhang, J., . . . Ma, Y. (2021). Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science, 373(6562), 1523-1527. doi:10.1126/science.abh4049[6] Rollin, J. A., Martin del Campo, J., Myung, S., Sun, F., You, C., Bakovic, A., . . . Zhang, Y.-H. P. (2015). High-yield hydrogen production from biomass by in vitro metabolic engineering: Mixed sugars coutilization and kinetic modeling. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 4964-4969.[7] Zhu, Z.-G., Kin Tam, T., Sun, F., You, C., & Zhang, Y.-H. P. (2014). A high-energy-density sugar biobattery based on a synthetic enzymatic pathway. Nat. Commun., 5, 3026. doi:10.1038/ncomms4026[8] Bullis, K. (2007). Running cars on hydrogen made from starch. MIT Technology Review https://www.technologyreview.com/2007/05/25/225316.
感谢张以恒教授课题组对本号的支持！
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