共轭聚合物-类囊体杂化生物电极:提高生物光伏光电响应新策略

生物光伏(BPV)作为一种新兴技术,它将光合蛋白、类囊体、光合细菌等光合有机体修饰到电极上,利用光合作用产生电子将光能转化为电能。在光合作用中,电荷分离以及电子传递链中电荷的迁移均具有超高的效率,因此生物光伏能量转换效率主要依赖于光合有机体的光能利用率和与电极间的界面电荷转移速率两个方面。传统的思路多集中于改善光合有机体与电极表面的界面接触性能,然而未有相关报道同时优化光能利用率和电荷转移速率两方面的性能。因此,开发新型简单的策略同时优化电极两方面性能有望进一步生物光伏性能。

近期,中国科学院化学研究所王树研究团队及其合作者设计了一种新型的共轭聚合物-类囊体杂化生物电极用以提高光合作用光反应速率和光电转换性能。该电极选用具有多孔结构的碳纸为基底,以光合作用光反应的场所类囊体为生物活性材料。首先,在碳纸表面修饰了共轭聚合物PFP。PFP侧链带有季铵盐基团,一方面可以改善碳纸表面的亲水性,另一方面可以通过静电作用与类囊体结合,改善界面接触。然后将类囊体修饰到电极上。为了防止PFP和类囊体脱落,进一步滴涂了Nafion作为封装。作为质子透过膜,Nafion可以高度选择性透过氢离子和水,因此不会影响电极反应。在白光照射下,类囊体主要吸收可见光,发生光反应,分解水产生氧气、氢离子和电子。电子通过电子传递链传递给碳纸产生光电流。PFP可以作为“分子天线”,吸收紫外光并且通过荧光共振能量转移(FRET)将吸收的能量转移给类囊体,提高类囊体的光能利用率,加速了光反应速率。同时,PFP的能级与电子传递链中光合蛋白的氧化还原电位相匹配,可以作为“电子桥梁”将类囊体光反应产生的电子传递给电极,加速了界面电子转移速率。测试结果表明,引入PFP之后,类囊体的光合放氧速率由130 μmol O2 (mg chl h)-1提高到了270 μmol O2 (mg chl h)-1。光照条件下,电极的界面电子转移阻抗由3448 Ω降低到了660 Ω,光电流由316.6±14.0 nA cm−2提高到了1245±41.1 nA cm−2

该新型杂化生物电极成功利用了共轭聚合物优异的光学和导电性能,同时优化了生物材料的光能利用率以及生物材料与电极材料的界面性能,为光合作用的研究和生物电子器件的构筑提供了新思路。本工作发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201800789)上。中国科学院化学研究所周鑫博士为该文章第一作者。

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