大自然中的植物樹葉能通過光合作用將光能轉化為化學能，釋放出氧氣，固定二氧化碳。而人工光合作用可以通過厚度僅幾微米的導電細菌生物被膜層就能實現，這是真的嗎？
近日，中國科學院深圳先進技術研究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在《科學進展》上聯合發表最新研究。
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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。
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。
新型半人工雜化涂層，實現完全水分解
光催化全解水是一項重要的綠色能源轉換技術，光催化劑在光照條件下,將水分解為氫氣和氧氣，在環境可持續發展和新能源等領域具有重要意義。
近年來，盡管許多研究團隊正致力于全解水技術的研究，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。”鐘超介紹。
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。
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。”王新宇介紹。
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。
實現規模化制備，應用領域廣泛
研究團隊介紹，這種半人工雜化涂層的制備方案簡單，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，發現催化效率基本保持不變，證實了基于生物被膜的半人工雜化Z-scheme涂層的規模化生產潛力。
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。
此外，研究團隊制備的共形貼附的導電生物被膜，在液體環境和空氣環境下均具備良好的導電性能，這一發現不僅為光催化應用提供了新的材料選擇，同時也為電子器件和其他設備的創新開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、環境和能源等領域的應用潛力而日益受到全球關注。王新宇介紹：“我們團隊聚焦利用合成生物技術開發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雜化涂層這類材料有望實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。
人工Z-scheme涂層示意圖 研究團隊供圖
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