大自然中的植物樹(shù)葉能通過(guò)光合作用將光能轉化為化學(xué)能，釋放出氧氣，固定二氧化碳。而人工光合作用可以通過(guò)厚度僅幾微米的導電細菌生物被膜層就能實(shí)現，這是真的嗎？

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員鐘超團隊與上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員馬貴軍團隊在《科學(xué)進(jìn)展》上聯(lián)合發(fā)表最新研究。

文章上線(xiàn)截圖

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn6211

研究人員提出了一種新型的半人工Z-scheme光合作用涂層，以模擬自然過(guò)程并提高光能轉換效率，并依托工程化大腸桿菌生物被膜，成功開(kāi)發(fā)了共形貼附導電生物被膜。

這種穩定、可持續規模化生產(chǎn)的半人工Z-scheme涂層，不僅推動(dòng)了活體能源材料在可持續清潔能源方面的應用，同時(shí)也為生物整合系統設計提供了參考意義。

該研究中，鐘超研究員和馬貴軍研究員為共同通訊作者，深圳先進(jìn)院副研究員王新宇和上海科技大學(xué)博士畢業(yè)生張博楊為論文共同第一作者。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。

新型半人工雜化涂層，實(shí)現完全水分解

光催化全解水是一項重要的綠色能源轉換技術(shù)，光催化劑在光照條件下,將水分解為氫氣和氧氣，在環(huán)境可持續發(fā)展和新能源等領(lǐng)域具有重要意義。

近年來(lái)，盡管許多研究團隊正致力于全解水技術(shù)的研究，但目前仍然缺乏高效、穩定、可持續的方法。

“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)機半導體兩種材料的優(yōu)勢，可以實(shí)現光催化產(chǎn)氫、固碳、固氮等應用。”鐘超介紹。

在該研究中，兩個(gè)團隊合作提出結合導電生物被膜與無(wú)機光催化材料各自的優(yōu)勢，采用層層沉積技術(shù)，成功構建了一個(gè)穩定且可持續的半人工光合雜化Z-scheme涂層，旨在利用光能高效驅動(dòng)高附加值化學(xué)品的合成。

研究人員首先通過(guò)滴涂法，將具有可見(jiàn)光吸收特性和高光催化活性的兩種催化劑涂覆于玻璃上，制備了光催化劑混合物涂層；隨后通過(guò)培養“細菌種子”，在涂層表面進(jìn)行大腸桿菌生物被膜的原位生長(cháng)；由于細菌本身不具備導電性，需要再利用原位聚合的方式制備導電生物被膜，通過(guò)化學(xué)修飾使其獲得導電能力。

“在半人工Z-scheme涂層中，細菌形成的生物被膜則充當著(zhù)導電介質(zhì)的作用，能促進(jìn)電子在涂層中的傳遞。”王新宇介紹。

為了理解微觀(guān)尺度下的電荷分離效果，研究人員通過(guò)光輔助的開(kāi)爾文探針力顯微鏡觀(guān)察到，在光照條件下，涂層的電荷分離和遷移能力顯著(zhù)增強；同時(shí)產(chǎn)物中氫氣和氧氣的比例穩定維持在2:1，與水分子的化學(xué)組成一致，驗證了光催化全解水實(shí)驗結果的有效性。

實(shí)現規模化制備，應用領(lǐng)域廣泛

研究團隊介紹，這種半人工雜化涂層的制備方案簡(jiǎn)單，易于規模化制備。他們在不同面積尺寸的雜化涂層測試了光催化全解水，發(fā)現催化效率基本保持不變，證實(shí)了基于生物被膜的半人工雜化Z-scheme涂層的規模化生產(chǎn)潛力。

此外，這一涂層在不同壓力下表現出了卓越耐受性。即便在常壓條件下，其催化效率也能保持穩定，有效避免了金屬導電材料在逆反應中常見(jiàn)的催化效率下降的問(wèn)題。研究結果表明，該涂層在連續運行100小時(shí)后，催化效率未見(jiàn)衰減，且材料結構保持完好，顯示出了優(yōu)異的長(cháng)期穩定性。

此外，研究團隊制備的共形貼附的導電生物被膜，在液體環(huán)境和空氣環(huán)境下均具備良好的導電性能，這一發(fā)現不僅為光催化應用提供了新的材料選擇，同時(shí)也為電子器件和其他設備的創(chuàng )新開(kāi)辟了潛在的應用前景。

更有意思的是，按照這種方案制備的半人工Z-scheme雜化涂層不僅能夠被輕松揭起形成獨立的自支撐膜，而且還展現出了較強的機械穩定性。

工程活體材料因其在醫療、環(huán)境和能源等領(lǐng)域的應用潛力而日益受到全球關(guān)注。王新宇介紹：“我們團隊聚焦利用合成生物技術(shù)開(kāi)發(fā)活材料并拓展其應用，活體能源材料是重要的研究方向之一。與傳統能源材料相比，半人工Z-scheme雜化涂層這類(lèi)材料有望實(shí)現能源的轉化與存儲，具有獨特的生物活性和可持續性”。

研究團隊介紹，半人工Z-scheme雜化涂層中尚存在部分難以降解循環(huán)的合成無(wú)機材料，在處理小型電子器件等低收益廢棄物時(shí)，長(cháng)期直接填埋可能會(huì )對生態(tài)環(huán)境造成持續壓力。未來(lái)，團隊將致力于研發(fā)全生物降解體系，并計劃進(jìn)一步利用太陽(yáng)光驅動(dòng)的化學(xué)反應，開(kāi)發(fā)在產(chǎn)氫、固氮或固碳等環(huán)境可持續的應用功能。

人工Z-scheme涂層示意圖 研究團隊供圖