Sitemap: http://www.one8bbs.com/sitemap.xml
科研進(jìn)展

Science Advances | 共形貼附導電微生物生物被膜實(shí)現半人工光催化全解水,開(kāi)發(fā)活體能源材料新應用

時(shí)間:2024-06-14  來(lái)源:合成所 文本大?。骸?a href="javascript:doZoom(16)">大 |  | 】  【打印

人工合成的半導體材料具備優(yōu)異的可見(jiàn)光吸收能力,可以突破自然光合作用的效率限制。通過(guò)整合生物材料和無(wú)機半導體能夠整合兩種材料的優(yōu)勢,實(shí)現了光催化產(chǎn)氫、固碳、固氮等應用,然而目前高效、穩定、可持續的半人工Z-scheme體系仍然缺乏。



6月12日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院鐘超團隊與上??萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馬貴軍團隊在Science子刊Science Advances上合作發(fā)表了題為Conformal and conductive biofilm-bridged artificial Z-scheme system for visible light–driven overall water splitting”的研究成果。



文章上線(xiàn)截圖



該研究通過(guò)在大腸桿菌生物被膜進(jìn)行聚吡咯的原位聚合,實(shí)現了共形貼附的導電生物被膜構建。通過(guò)滴涂法實(shí)現光催化劑涂層制備,并在其表面原位生長(cháng)導電生物被膜,就可以實(shí)現半人工光合體系的構建,實(shí)現光催化全解水,產(chǎn)物中氫氣和氧氣的比例穩定維持在2:1。該體系擁有100h的長(cháng)時(shí)間運行穩定性以及對于不同背景壓力的耐受性,并且具有規?;a(chǎn)潛力。本研究實(shí)現了活體能源材料在可持續清潔能源方面的應用,并且對于生物整合相關(guān)的系統設計也有非常好的參考意義。

植物或藻類(lèi)通過(guò)光合作用將光能轉化為化學(xué)能,該反應采取了“Z-scheme”進(jìn)行電子傳遞(圖1A)。光系統II吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生電子/空穴對,空穴將水氧化為氧氣,光系統I則將電子通過(guò)氧化還原蛋白簇傳遞到最終的電子受體-鐵氧還蛋白。從自然界獲取靈感,研究人員提出了利用無(wú)機半導體模擬自然,構建人工Z-scheme光合作用體系的想法,模擬自然利用光能驅動(dòng)高附加值化學(xué)品的生產(chǎn)。



本項目提出了結合導電生物被膜和無(wú)機光催化劑,構建穩定且可持續的半人工雜化Z-scheme體系的方案(圖1B)。本項目選擇了具有可見(jiàn)光吸收特性和高光催化活性的CoOx/Mo:BiVO4(縮寫(xiě)為[Bi])作為產(chǎn)氧催化劑(OEP)和Ru@Cr2O3/Rh:SrTiO3(縮寫(xiě)為[Sr])作為產(chǎn)氫催化劑(HEP),并通過(guò)滴涂法制備了光催化劑薄膜。隨后在光催化劑涂層表面直接生長(cháng)大腸桿菌生物被膜,并通過(guò)原位聚合制備導電生物被膜。導電生物被膜能夠促進(jìn)光照下從OEP到HEP的有效電子轉移,從而實(shí)現光催化全解水。



圖1?自然(A)和人工(B)Z-scheme體系示意圖



大腸桿菌生物被膜在自然界是不導電的物質(zhì),為了實(shí)現導電生物被膜的制備。該研究提出了原位聚合聚吡咯(PPy)的方法,進(jìn)行共形貼附的導電生物被膜制備(圖2)。由于固有的界面粘附性,生物被膜可以在基底表面上形成共形貼附的涂層,工程化的生物被膜纖維帶有電荷,從而實(shí)現了聚吡咯的原位聚合,相互連接的聚吡咯顆粒賦予了生物被膜導電能力。電化學(xué)交流阻抗測試和I-V測試證實(shí)了通過(guò)該方案制備的材料不論在液體環(huán)境還是空氣環(huán)境都具備良好的導電性。這些測試預示著(zhù)除了光催化外,還可能在電子器件和設備方面有潛在應用。



圖2?共形貼附導電生物被膜構建



為了實(shí)現穩定且可持續光催化全解水,本項目提出了層層制備的方式完成半人工雜化涂層的制備(圖3)。首先通過(guò)滴涂法制備了光催化劑混合物涂層,然后在其表面進(jìn)行生物被膜的原位生長(cháng),最后再利用原位聚合的方式制備導電生物被膜。通過(guò)膠帶將其轉移到另外一塊基底后進(jìn)行光催化全解水測試,產(chǎn)物中氫氣和氧氣的比例穩定在2:1,表明成功實(shí)現了全解水。有意思的是,通過(guò)本方案制備的半人工Z-scheme雜化涂層可以揭下來(lái),形成自支撐膜,并且可以耐受超聲,材料不會(huì )發(fā)生脫落。



圖3 半人工Z-scheme體系構建及其光催化全解水能力測試



為了理解微觀(guān)尺度下的電荷分離效果,本項目采用了光輔助的開(kāi)爾文探針力顯微鏡(AM-KPFM)對半人工雜化涂層進(jìn)行了探究(圖4)。在光照條件下,[Bi]和[Sr]之間的ΔSPV為69mV,相應的內置電場(chǎng)為95kV m-1,相比非導電生物被膜涂層,電荷分離和遷移都得到了顯著(zhù)增強。共形貼附導電生物被膜可以在微觀(guān)上增強2種半導體光催化劑的電荷分離和遷移,這一結果也印證了光催化全解水的實(shí)驗結果。



圖4 半人工Z-scheme體系的AM-KPFM表征



本研究開(kāi)發(fā)的半人工雜化涂層的制備方案簡(jiǎn)單,易于規?;苽?。項目測試了不同面積尺寸的雜化涂層的光催化全解水,催化效率基本保持不變,證實(shí)研究開(kāi)發(fā)的基于生物被膜的半人工雜化Z-scheme涂層的規?;a(chǎn)潛力。本研究開(kāi)發(fā)的雜化涂層對于背景壓力有很強的耐受性,在常壓條件的催化效率依然維持不變,可以克服金屬導電材料容易發(fā)生逆反應并顯著(zhù)降低催化效率的缺陷。研究開(kāi)發(fā)的體系展示了100h的長(cháng)時(shí)間運行穩定性,并且催化效率可以維持不變,材料的結構也沒(méi)有被破壞。



圖5 半人工Z-scheme體系在光催化全解水應用中的穩定性測試



綜上,本項目依托工程化大腸桿菌生物被膜,基于原位聚合的方式開(kāi)發(fā)了共形貼附導電生物被膜,并通過(guò)層層沉積法制備了半人工雜化Z-scheme涂層,該涂層展現了優(yōu)異的光催化全解水性能。同時(shí),研究開(kāi)發(fā)的體系穩定、可規?;a(chǎn)且可持續,推動(dòng)了可持續活體能源材料的發(fā)展,并對生物整合的器件方面有重要的參考意義。


中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員鐘超和上??萍即髮W(xué)研究員馬貴軍為共同通訊作者,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員王新宇和上??萍即髮W(xué)博士畢業(yè)生張博楊為論文共同第一作者。該研究得到了科技部合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室、深圳市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院的經(jīng)費支持。