新型半人工光合涂層材料有望應用新能源領域
來源：中國新聞網 時間：2024-06-26 09:12
中國科學院深圳先進技術研究院(下稱“深圳先進院”)6月24日發布消息稱，深圳先進院合成生物學研究所研究員鐘超團隊與上海科技大學物質科學與技術學院研究員馬貴軍團隊日前在Science Advances(《科學進展》)上聯合發表最新研究成果，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，成功開發了共形貼附導電生物被膜。
文章上線截圖。(深圳先進院供圖)
這種穩定、可持續規模化生產的半人工Z-scheme涂層，不僅推動了活體能源材料在可持續清潔能源方面的應用，同時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，深圳先進院副研究員王新宇和上海科技大學博士畢業生張博楊為論文共同第一作者。深圳先進院為該研究第一單位。
“人工合成的半導體材料具備優異的可見光吸收能力，可以突破自然光合作用的效率限制。通過整合生物材料和無機半導體兩種材料的優勢，可以實現光催化產氫、固碳、固氮等應用。”鐘超說。
在該研究中，兩個團隊合作提出結合導電生物被膜與無機光催化材料各自的優勢，采用層層沉積技術，成功構建了一個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高附加值化學品的合成。
人工Z-scheme涂層示意圖。(研究團隊供圖)
研究人員首先通過滴涂法，將具有可見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；隨后通過培養“細菌種子”，在涂層表面進行大腸桿菌生物被膜的原位生長；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，通過化學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導電介質的作用，能促進電子在涂層中的傳遞。”王新宇說。
為了理解微觀尺度下的電荷分離效果，研究人員通過光輔助的開爾文探針力顯微鏡觀察到，在光照條件下，涂層的電荷分離和遷移能力顯著增強；同時產物中氫氣和氧氣的比例穩定維持在2:1，與水分子的化學組成一致，驗證了光催化全解水實驗結果的有效性。
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的催化效率下降的問題。研究結果表明，該涂層在連續運行100小時后，催化效率未見衰減，且材料結構保持完好，顯示出了優異的長期穩定性。
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。
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的合成無機材料，在處理小型電子器件等低收益廢棄物時，長期直接填埋可能會對生態環境造成持續壓力。未來，團隊將致力于研發全生物降解體系，并計劃進一步利用太陽光驅動的化學反應，開發在產氫、固氮或固碳等環境可持續的應用功能。 (索有為)
責任編輯：江蓬新
