Small Methods:最新综述——细菌、真菌和病毒在能量储存和转换领域中的应用

一、引言

微生物(如细菌、真菌和病毒)由于其易繁殖性、基因可修饰性、矿化能力及自组装能力,引起了科研界极大的关注,并被广泛应用于能量储存与转换领域。其中,细菌和真菌细胞具有吸附和还原金属离子的能力,可在其细胞壁上原位合成各种金属纳米颗粒和金属化合物,因此各种细菌(如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等)和真菌(如酵母菌、霉菌和菌菇)被用作生物工厂和生物模板以合成富杂质原子掺杂的碳基材料及其复合材料包括金属纳米颗粒、金属氧化物、磷化物、硫化物等。而病毒(M13噬菌体,烟草花叶病毒等)则由于其基因易修饰性被创造性地用作活性材料自组装的生物模板。对其DNA或RNA单链进行基因修饰后,病毒主要蛋白可表达出特定功能团作用于目标阳离子并进行各种成分的组装。此外,纳米级尺度的病毒可以相互交织构成连续网络以构建大规模无粘结电极。与化学气相沉积、湿纺等传统方法相比,生物模板法更加简便易行,更适合大规模生产,显示出商业化应用的极大潜力。

近日,浙江大学夏新辉研究员课题组受邀在Small Methods上发表了题为“Bacterium, Fungus and Virus Microorganisms for Energy Storage and Conversion”的综述文章(DOI:10.1002/smtd.201900596),第一作者为博士生沈盛慧。该综述系统首先介绍了常见细菌、真菌和病毒的习性、特点和培养条件,进一步讨论了这些微生物与其他材料(包括金属纳米颗粒、金属氧化物、金属磷化物、硅)等复合的化学修饰作用。系统介绍了这些材料在能量储存和转换设备(包括锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、锂空电池和燃料电池)中的最新应用。该综述深刻挖掘了所述微生物的独特特性,如微生物的习性特点、微生物衍生碳及其衍生物的合成、纳米结构和形态以及它们在近期研究中的电化学性能。同时进一步探讨了微生物的生物矿化、基因修饰和自组装能力机制。该综述对电化学领域中微生物发展的挑战和方向做出了深刻分析,为微生物基材料在电化学储能与转化领域的深入发展提供了宝贵思路。

二、图文简介

图1. 综述论文封面

图2. 黄曲霉孢子碳/Ni2P样品: a)的合成流程图, b,c) SEM 图, d-e) TEM-HRTEM图,  f) EDS元素分布图, g) 氮气等温吸脱附曲线;木霉孢子碳/NbC样品: h) 合成流程图, i) EDS元素分布图,j) SEM图,h)氮气等温吸脱附曲线。

图3. a) 病毒纳米线的合成示意图; b) TEM图像;c)HRTEM 图像和SAED花样;d)充放电曲线;e)比电容;f, g) 原子力显微镜图像;h)柔性薄膜(LPEI/PAA)100.5光学照片;i)1.12 C和5.19 C下组装单层容量

三、总结与展望

尽管微生物及其衍生物在能量储存及转换中具有巨大潜力,但微生物的选择性、活性产物与微生物的相容性、生物矿化过程中活性产物合成的可控性和遗传编辑技术的应用等问题,仍限制着微生物在电化学储能与转化领域的应用发展。因此需对微生物及其衍生物的基础问题进行深入研究。例如,对于细菌与真菌来说,如何选择合适的微生物,以合成具有高理论容量物质或高催化活性的材料;如何选择合适的方式,以提高碳材料及其衍生物的相形成效率及纯度;结合理论计算、原位测试、同步辐射等方法,揭示金属纳米颗粒和化合物独特的生物矿化过程;电极材料界面或体相中的存储机制,解释其电化学行为,来进一步增强电化学性能。对于病毒来说,需要更深入的探究基因编辑方法,以实现特定蛋白的表达,为体系引入更多的官能团,并生产特定的活性物质;利用原位表征技术和理论计算方法,进一步研究其化学连接相互作用、自组装活性以及基因与功能基团之间的关系,为深入研究提供理论指导。此外,为实现商业化应用,微生物的大规模培养生产也至关重要。应进一步探索和测量微生物的生长参数,包括灰分含量、振实密度和孔隙度等。研究微生物的机理和行为,使其在成本、安全性、性能和规模制备等方面不断增强其在电化学领域内的核心竞争力。

四、文献详情

Shenghui Shen, Rongfan Zhou, Yahao Li, Bo Liu, Guoxiang Pan, Qi Liu, Qinqin Xiong, Xiuli Wang, Xinhui Xia*, and Jiangping Tu. Bacterium, Fungus and Virus Microorganisms for Energy Storage and Conversion [J]. Small Methods, 2019. https://doi.org/10.1002/smtd.201900596