Nano Res.│刘丹青、翁凌教授/贺良灿教授：静电相互作用介导的E. coli-TiO₂-x生物杂化系统促进太阳能产氢
作者：Nano Research 2024-02-28
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目前，氢气主要是从煤、石油和电解水中化学产生的，这不仅效率低下，而且还会导致全球变暖。由于其高效、低成本和绿色的特点，太阳能转化为氢气正受到越来越多的关注。通常，太阳能有三种不同的利用方式：自然通过生物光合作用、人工通过人工光合作用和半人工通过半人工光合作用。生物光合作用有许多缺点，其中之一是它不能最大限度地转化太阳能，并可能导致光损伤，这也需要能量来修复，从而降低转化过程的效率。在人工光合作用系统中，高转换效率伴随着昂贵的高纯度半导体，这些半导体在浸泡在电解液中时会降解。半人工光合作用系统可以克服自然光合作用和人工光合作用的局限性，一方面，生物系统的自我修复和繁殖速度，可以为更有效地利用太阳能提供一个相对完整的环境。另一方面，半导体材料的光吸收效率可以通过能带结构调整和缺陷结构构造等各种方法改善材料。
本研究将氧缺陷二氧化钛通过静电作用与大肠杆菌结合，设计开发了一种在太阳光下高效产氢的无机生物杂化系统。在二氧化钛的导带中引入缺陷带，增强了对可见光的吸收和电荷分离。在E. coli -TiO2-x 生物杂化系统中，TiO2-x 纳米颗粒在光照下产生的光生电子被传递到大肠杆菌细胞，与生物活性成分相互作用，并参与产氢途径（如图1所示）。时间分辨荧光光谱、密度泛函理论计算和Bader电荷分析表明，E. coli -TiO2-x 生物杂化体系缩短了电子转移路径，促进了光电子转移。这种生物杂化系统既利用了材料的光吸收特性，又以清洁和选择性的方式结合了微生物的高效催化能力，为太阳能到化学能转换提供了一条新的可行途径。
图1.用于太阳能制氢的E. coli -TiO2-x 生物杂化系统示意图
通过在TiO2 中引入缺陷结构，TiO2-x 纳米粒子在可见光的吸收显著增强(图2(a))。TiO2-x 在稳态荧光光谱中的光致发光性能与TiO2 相比有明显荧光淬灭现象，说明氧空位的引入大大提高了光生电子-空穴分离的效率（图2(b)）。从图2(c)的循环伏安曲线(CV)中可以看出TiO2-x 的积分面积远大于TiO2 。为了检测晶格缺陷的位置和类型，进一步对样品进行了电子顺磁共振(EPR)。从图2(d)可以看出，在g=2.003和g=1.970处分别出现了两类振动峰。在g=2.003处的对称共振峰是由于氧空位缺陷含有单电子。g=1.970处的共振峰是由Ti3+ 离子缺陷引起的。并且TiO2-x 的共振峰强度明显高于TiO2 ，说明TiO2-x 中存在更多的氧空位缺陷。
图2. TiO2-x 和TiO2 的(a) UV-Vis DRS吸收光谱，(b)稳态荧光光谱，(c)循环伏安曲线，(d) EPR光谱 在生物杂化系统的构建中，大肠杆菌细胞和TiO2-x x表面均为负电位，由于强大的静电斥力不利于两者有效结合，通过引入带正电的聚乙烯亚胺(PEI)，PEI修饰的TiO2-x 电位为25.1 mV，有利于大肠杆菌通过静电相互作用与TiO2-x 结合（图3(a)）。在不同时间点监测加入不同浓度TiO2-x 纳米粒子的细菌培养物的600 nm光密度(OD600 )，确定TiO2-x 纳米粒子的最佳添加浓度为200 µg/mL（图3(b)）。图3(c)得出E. coli -TiO2-x 的荧光寿命为2.71 ns，E. coli -TiO2 的荧光寿命为1.41 ns。这表明E. coli -TiO2-x 生物杂交体系中TiO2-x 的光生电子能更有效地分离并转移到细菌中。图3(d)表明，E. coli -TiO2-x 生物杂交体系产氢性能明显高于E. coli -TiO2 和纯E. coli 体系，E. coli -TiO2-x 生物杂交体系在3小时内产氢总量为1.25 mmol，是纯E. coli 体系体系的3.31倍。
图3. (a)E . coli 、TiO2-x 和TiO2-x +PEI的Zeta电位，(b)添加不同浓度的TiO2-x 的大肠杆菌的LB生长曲线，(c)TiO2 -x 和TiO2 的时间分辨光致发光光谱，(d)等体积的E. coli、E. coli -TiO2 和E. coli -TiO2-x 生物杂化体系在可见光下(420-780 nm)照射3h的产氢量 大肠杆菌在厌氧发酵过程中主要通过甲酸途径产生H2 ，葡萄糖是其能量来源。图4(a)比较了 E. coli -TiO2-x 、E. coli -TiO2 和E. coli 体系在不同时间对葡萄糖的消耗情况，三个体系对葡萄糖消耗的变化趋势相似，最大的消耗发生在第1个小时。然后，研究了葡萄糖的下游产物。如图4(b)所示，我们检测了E. coli -TiO2-x 、E. coli -TiO2 和E. coli 不同体系中丙酮酸的变化，发现E. coli -TiO2-x 中丙酮酸的增加量在前2小时高于E. coli -TiO2 和E. coli ，同时E. coli -TiO2-x 体系中葡萄糖的减少量也高于E. coli -TiO2 和E. coli 体系。甲酸是制氢的关键物质。在大肠杆菌厌氧生长过程中，甲酸脱氢酶(FHL)复合体可以将甲酸分解为氢和二氧化碳。如图4(c)可以看出，E. coli -TiO2-x 产生了更多的甲酸，说明E. coli -TiO2-x 能驱动更多的能量和电子进入产氢途径。乳酸也是丙酮酸的下游产物，然而乳酸并不是产氢的途径。如图4(d)所示，E. coli 的乳酸增量大于E. coli -TiO2 和E. coli -TiO2-x 。这些结果表明，氧缺陷二氧化钛的加入促进更多的能量流入甲酸途径生成氢。
图4.可见光照射下E. coli、E. col i -TiO2 和E. coli -TiO2-x 生物杂化体系在(a)葡萄糖利用，(b)丙酮酸浓度，(c)甲酸活性和(d)乳酸浓度的比较及机理研究 在可见光和黑暗条件下，检测E. coli -TiO2-x 体系中代谢产物的变化。首先检测了葡萄糖的变化。如图5(a)所示，葡萄糖含量都出现了急剧下降，然后趋于平稳，但可以清楚地看到光照组比黑暗组消耗更多。这表明光照有利于葡萄糖的消耗。如图5(b)所示，我们还监测了丙酮酸的变化，光照组和黑暗组的丙酮酸产量有显著差异，这表明光生电子加速了糖酵解过程，促进了丙酮酸的积累。如图5(c)所示，光照组甲酸的增量明显高于黑暗组，这一结果表明，光生电子可以促进甲酸的积累，为产氢做准备。另一个消耗丙酮酸的重要代谢过程，乳酸发酵也被监测。如图5(d)所示，光照组细胞内乳酸水平的积累明显低于黑暗组，说明光电子抑制了乳酸发酵。这些结果表明TiO2-x 在可见光下可以在大肠杆菌表面产生大量的电子-空穴对，并通过光电子传递促进H2 生成。
图5.在黑暗或可见光照射下E. coli -TiO2-x 生物杂化系统在(a)葡萄糖利用，(b)丙酮酸浓度，(c)甲酸浓度和(d)乳酸浓度的比较研究 MtrC/OMCA是与细胞外物质直接接触的外膜蛋白。MtrC表面的Heme 10可以利用其铁原子接受细胞外电子，并将它们转移到细胞内。用密度泛函理论(DFT)计算了锐钛矿型二氧化钛和Heme 10分子的电荷转移行为。Heme 10的Fe原子到TiO2-x 表面的距离比TiO2 短，Bader电荷分析表明TiO2-x 将0.288 e电子转移到Heme 10，而TiO2 只转移了0.044 e(图6)。这些结果表明，氧空位二氧化钛与大肠杆菌之间可以实现直接高效的电子转移。
图6.密度泛函理论计算了(a)TiO2-x -Heme 10和(b)TiO2-x -Heme 10的电子密度差.表面电子密度为0.001 e/Bohr3
刘丹青教授 ：哈尔滨理工大学教授，博士生导师。2015年博士毕业于哈尔滨工业大学化工学院。主要研究方向为功能纳米材料的制备及其在能源领域的应用，包括微生物燃料电池，光催化降解有机污染物，无机-微生物杂化体系在能源转化方面的应用等。主持国家自然科学基金面上项目、黑龙江省自然科学基金面上项目等，发表SCI论文30余篇，授权发明专利8项，专利转化1项。
翁凌教授 ：哈尔滨理工大学教授/博导。中国电工技术学会绝缘材料于绝缘技术专委会委员，国家自然科学基金委项目评审专家，教育部学位中心评审专家。主要从事聚合物基介电功能复合材料及工程电介质材料的理论及实际应用等方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、黑龙江省自然科学基金面上项目、广东省产学研合作研究项目等10余项，发表SCI论文60余篇，获省级科技/教学奖励4次，出版专著1部，授权专利9项。
贺良灿教授 ：哈尔滨工业大学医学与健康学院教授/博导，纳米医学与药物研究中心主任。国家级青年人才项目获得者，主持国家自然科学基金、黑龙江省优秀青年基金、头雁子课题等项目多项。主要研究方向为有机-无机生物材料、材料-生物界面调控、纳米医学与药物，在JAm Chem Soc、Angew Chem、Adv Sci、Nat. Commu 等国际重要期刊上发表SCI论文50余篇，单篇最高引用650余次，研究工作总引用5000余次，9篇论文入选1%高引论文。担任Frontier in Chemistry 副主编，Nano Research、Aging and Disease、iMeta 青年编委，入选2022年Journal of Materials Chemistry B Emerging Investigator s。
第 一作者简介：吕星星 ：哈尔滨理工大学和哈尔滨工业大学联合培养博士生。
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