大自然中的植物树叶能通过光合作用将光能转化为化学能，释放出氧气，固定二氧化碳。而人工光合作用可以通过厚度仅几微米的导电细菌生物被膜层就能实现，这是真的吗？
近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员钟超团队与上海科技大学物质科学与技术学院研究员马贵军团队在《科学进展》上联合发表最新研究。
研究人员提出了一种新型的半人工Z-scheme光合作用涂层，以模拟自然过程并提高光能转换效率，并依托工程化大肠杆菌生物被膜，成功开发了共形贴附导电生物被膜。
这种稳定、可持续规模化生产的半人工Z-scheme涂层，不仅推动了活体能源材料在可持续清洁能源方面的应用，同时也为生物整合系统设计提供了参考意义。
新型半人工杂化涂层，实现完全水分解
光催化全解水是一项重要的绿色能源转换技术，光催化剂在光照条件下,将水分解为氢气和氧气，在环境可持续发展和新能源等领域具有重要意义。
近年来，尽管许多研究团队正致力于全解水技术的研究，但目前仍然缺乏高效、稳定、可持续的方法。
“人工合成的半导体材料具备优异的可见光吸收能力，可以突破自然光合作用的效率限制。通过整合生物材料和无机半导体两种材料的优势，可以实现光催化产氢、固碳、固氮等应用。”论文共同通讯作者、深圳先进院研究员钟超介绍。
在该研究中，两个团队合作提出结合导电生物被膜与无机光催化材料各自的优势，采用层层沉积技术，成功构建了一个稳定且可持续的半人工光合杂化Z-scheme涂层，旨在利用光能高效驱动高附加值化学品的合成。
人工Z-scheme涂层示意图 研究团队供图
研究人员首先通过滴涂法，将具有可见光吸收特性和高光催化活性的两种催化剂涂覆于玻璃上，制备了光催化剂混合物涂层；随后通过培养“细菌种子”，在涂层表面进行大肠杆菌生物被膜的原位生长；由于细菌本身不具备导电性，需要再利用原位聚合的方式制备导电生物被膜，通过化学修饰使其获得导电能力。
“在半人工Z-scheme涂层中，细菌形成的生物被膜则充当着导电介质的作用，能促进电子在涂层中的传递。”论文共同第一作者、深圳先进院副研究员王新宇介绍。
为了理解微观尺度下的电荷分离效果，研究人员通过光辅助的开尔文探针力显微镜观察到，在光照条件下，涂层的电荷分离和迁移能力显著增强；同时产物中氢气和氧气的比例稳定维持在2:1，与水分子的化学组成一致，验证了光催化全解水实验结果的有效性。
实现规模化制备，应用领域广泛
研究团队介绍，这种半人工杂化涂层的制备方案简单，易于规模化制备。他们在不同面积尺寸的杂化涂层测试了光催化全解水，发现催化效率基本保持不变，证实了基于生物被膜的半人工杂化Z-scheme涂层的规模化生产潜力。
此外，这一涂层在不同压力下表现出了卓越耐受性。即便在常压条件下，其催化效率也能保持稳定，有效避免了金属导电材料在逆反应中常见的催化效率下降的问题。研究结果表明，该涂层在连续运行100小时后，催化效率未见衰减，且材料结构保持完好，显示出了优异的长期稳定性。
此外，研究团队制备的共形贴附的导电生物被膜，在液体环境和空气环境下均具备良好的导电性能，这一发现不仅为光催化应用提供了新的材料选择，同时也为电子器件和其他设备的创新开辟了潜在的应用前景。
更有意思的是，按照这种方案制备的半人工Z-scheme杂化涂层不仅能够被轻松揭起形成独立的自支撑膜，而且还展现出了较强的机械稳定性。
工程活体材料因其在医疗、环境和能源等领域的应用潜力而日益受到全球关注。王新宇介绍：“我们团队聚焦利用合成生物技术开发活材料并拓展其应用，活体能源材料是重要的研究方向之一。与传统能源材料相比，半人工Z-scheme杂化涂层这类材料有望实现能源的转化与存储，具有独特的生物活性和可持续性”。
研究团队介绍，半人工Z-scheme杂化涂层中尚存在部分难以降解循环的合成无机材料，在处理小型电子器件等低收益废弃物时，长期直接填埋可能会对生态环境造成持续压力。未来，团队将致力于研发全生物降解体系，并计划进一步利用太阳光驱动的化学反应，开发在产氢、固氮或固碳等环境可持续的应用功能。
相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn6211
