新型半人工光合涂層材料有望應(yīng)用新能源領(lǐng)域
來源：中國新聞網(wǎng) 時間：2024-06-26 09:12
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(下稱“深圳先進(jìn)院”)6月24日發(fā)布消息稱，深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所研究員鐘超團(tuán)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(tuán)隊日前在Science Advances(《科學(xué)進(jìn)展》)上聯(lián)合發(fā)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(zhuǎn)換效率，并依托工程化大腸桿菌生物被膜，成功開發(fā)了共形貼附導(dǎo)電生物被膜。
文章上線截圖。(深圳先進(jìn)院供圖)
這種穩(wěn)定、可持續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)的半人工Z-scheme涂層，不僅推動了活體能源材料在可持續(xù)清潔能源方面的應(yīng)用，同時也為生物整合系統(tǒng)設(shè)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。
“人工合成的半導(dǎo)體材料具備優(yōu)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(jī)半導(dǎo)體兩種材料的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)光催化產(chǎn)氫、固碳、固氮等應(yīng)用。”鐘超說。
在該研究中，兩個團(tuán)隊合作提出結(jié)合導(dǎo)電生物被膜與無機(jī)光催化材料各自的優(yōu)勢，采用層層沉積技術(shù)，成功構(gòu)建了一個穩(wěn)定且可持續(xù)的半人工光合雜化Z-scheme涂層，旨在利用光能高效驅(qū)動高附加值化學(xué)品的合成。
人工Z-scheme涂層示意圖。(研究團(tuán)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(yǎng)“細(xì)菌種子”，在涂層表面進(jìn)行大腸桿菌生物被膜的原位生長；由于細(xì)菌本身不具備導(dǎo)電性，需要再利用原位聚合的方式制備導(dǎo)電生物被膜，通過化學(xué)修飾使其獲得導(dǎo)電能力。
“在半人工Z-scheme涂層中，細(xì)菌形成的生物被膜則充當(dāng)著導(dǎo)電介質(zhì)的作用，能促進(jìn)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(qiáng)；同時產(chǎn)物中氫氣和氧氣的比例穩(wěn)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驗結(jié)果的有效性。
此外，這一涂層在不同壓力下表現(xiàn)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(wěn)定，有效避免了金屬導(dǎo)電材料在逆反應(yīng)中常見的催化效率下降的問題。研究結(jié)果表明，該涂層在連續(xù)運行100小時后，催化效率未見衰減，且材料結(jié)構(gòu)保持完好，顯示出了優(yōu)異的長期穩(wěn)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(xiàn)出了較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性。
研究團(tuán)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)的合成無機(jī)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(tài)環(huán)境造成持續(xù)壓力。未來，團(tuán)隊將致力于研發(fā)全生物降解體系，并計劃進(jìn)一步利用太陽光驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)，開發(fā)在產(chǎn)氫、固氮或固碳等環(huán)境可持續(xù)的應(yīng)用功能。 (索有為)
責(zé)任編輯：江蓬新
