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將太陽能高效轉化為清潔氫燃料，為可持續能源的發展開辟了一條前景廣闊的路徑。然而，目前的半人工光合體系在利用全太陽光譜，尤其是近紅外（NIR）區域，仍未得到充分探索。本研究設計并制備了一種具有良好生物相容性的低帶隙共軛聚合物納米片（PyTT-tBAL-HAB），并將其與未經基因編輯的非光合細菌——大腸桿菌（E. coli）結合，顯著提升了太陽能驅動的生物產氫效率。該材料不僅展現出優異的近紅外光吸收特性，其與大腸桿菌的整合促進了高效電子轉移，使得在近紅外光照射下的產氫速率提升約1.96倍。值得注意的是，該雜化系統在940 nm波長處實現了18.36%的量子效率，表現出強大的光能轉化潛力。本研究成果充分證明了低帶隙共軛聚合物納米片作為先進光敏劑在構建高效半人工光合體系中具有廣闊應用前景，也為更全面、高效地利用太陽光譜提供了有力支撐。

背景介紹

在碳中和目標和氣候變化壓力的推動下，氫能因其高能量密度和零碳排放特性，成為極具潛力的清潔替代能源。然而，當前主流的氫氣生產依賴化石燃料，亟需更綠色的解決方案。太陽能驅動的生物制氫技術因具備可再生、可擴展的優勢而受到關注，但其在光譜利用效率和電子轉移效率方面仍存在瓶頸。半人工光合體系將光催化半導體與生物體結合，為高效轉換和儲存太陽能提供了新路徑。共軛聚合物因其可調的電子結構、優異的光吸收能力以及良好的生物相容性，在該體系中展現出巨大潛力。通過合理的結構設計和對生物電子過程的精確控制，共軛聚合物有望推動半人工光合體系的構建與應用。本研究基于吩嗪結構設計出一種新型低帶隙共軛聚合物納米片（PyTT-tBAL-HAB），與未經基因編輯的非光合細菌——大腸桿菌（E. coli）協同構建高效NIR響應的半人工光合體系，顯著提升了氫氣產量和量子效率，展示了其在可持續能源領域的應用潛力，論文第一作者為周潔。

本文亮點

1.低帶隙共軛聚合物納米片實現高效近紅外光響應

本文通過設計吩嗪基共軛聚合物納米片，展現出優異的近紅外光吸收與電子遷移性能，為提升半人工光合系統的光能利用效率提供了關鍵材料支撐。

2.半人工光合系統產氫性能大幅提升，量子效率高達18.36%

本工作通過將低帶隙聚合物納米片與大腸桿菌協同構建半人工光合系統，在940 nm波長處實現18.36%的量子效率，顯著提升了產氫速率和系統穩定性，性能超越傳統體系。

3.多維解析揭示聚合物-細菌間的電子轉移與基因調控機制

本研究結合光電實驗與轉錄組分析，系統揭示了聚合物納米片與非光合細菌之間的電荷轉移路徑及其誘導的基因表達變化，深化了對光電子驅動下酶激活與代謝耦合機制的理解。

圖文解析

圖1.（a）PyTT-tBAL-HAB合成路線和化學結構示意圖。（b）剝離的PyTT-tBAL-HAB 納米片的AFM圖像和相應的高度分布。（c）PyTT-tBAL-HAB納米片的紫外-可見漫反射光譜。插圖顯示了相應的Tauc圖。（d）PyTT-tBAL-HAB納米片的能帶結構和與PEI修飾的大腸桿菌相互作用的H2生成簡化圖。

圖2.（a）PEI修飾的大腸桿菌細胞膜示意圖。（b）PyTT-tBAL-HAB納米片、PEI修飾的大腸桿菌和雜合體的Zeta電位。（c）通過將PyTT-tBAL-HAB納米片滴到大腸桿菌溶液中得到的等溫滴定微量熱曲線。（d）沉積在AAO模板上的生物雜合體的SEM圖像（比例尺：1 μm）。大腸桿菌被染成紅色，納米片被染成青色。使用成像流式細胞術獲得的（e）大腸桿菌和（f）生物雜合體的代表性圖像。大腸桿菌用碘化丙啶染色。

圖3.大腸桿菌和生物雜合體在黑暗或不同光波長下光照3小時后的氫氣產量，其中（a）含有（b）不含葡萄糖。（c）在不同波長下測量的生物雜合體在含有或不含葡萄糖的體系中的量子效率。最近報道的生物雜合體（d）含有（e）不含葡萄糖的量子效率比較。（f）不同生物雜合體和純大腸桿菌在近紅外光照射下隨時間累積的氫氣產量。

圖4.大腸桿菌、PyTT-tBAL-HAB納米片和生物雜合體的（a）PL譜圖（370 nm處激發），（b）TCSPC測試譜圖，（c）瞬態開閉光的光電流譜圖，（d）EIS奈奎斯特圖。

圖5（a）差異表達基因的火山圖（灰色：差異不顯著的基因；粉色：上調的基因；藍色：下調的基因）。（b）差異表達基因的熱圖。E. coli組及生物雜合體光照（100 mW cm?2）72小時后的生物基因的（c）KEGG富集和（d）GO富集。

圖6.在太陽光照射下，由PEI修飾的大腸桿菌和PyTT-tBAL-HAB納米片構建的生物雜合體中生物氫產量增強的機制示意圖。

總結

總的來說，本工作通過將低帶隙共軛聚合物納米片PyTT-tBAL-HAB與未經基因編輯的非光合細菌大腸桿菌整合，成功構建了一種可在寬光譜太陽輻照下實現產氫的半人工光合系統。該系統在近紅外光照射下產氫提升1.96倍，并在940 nm波長處達18.36%量子效率，展現出近紅外驅動半人工生物雜合體制氫的巨大潛力。通過對電荷轉移過程和基因表達的系統研究，我們揭示了聚合物納米片與大腸桿菌之間高效的電子傳輸機制，顯著促進了菌體內糖酵解過程和甲酸生成，進而通過甲酸途徑和丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶（PFOR）途徑強化產氫。該研究強調了生物相容性好、低帶隙共軛聚合物作為高效光敏劑的潛力，并為未來構建高效穩定的半人工光合系統奠定基礎。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407805

來源：高分子科學前沿

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