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  生物光伏（BPV）作為一種新興技術(shù)，它將光合蛋白、類囊體、光合細菌等光合有機體修飾到電極上，利用光合作用產(chǎn)生電子將光能轉(zhuǎn)化為電能。在光合作用中，電荷分離以及電子傳遞鏈中電荷的遷移均具有超高的效率，因此生物光伏能量轉(zhuǎn)換效率主要依賴于光合有機體的光能利用率和與電極間的界面電荷轉(zhuǎn)移速率兩個方面。傳統(tǒng)的思路多集中于改善光合有機體與電極表面的界面接觸性能，然而未有相關(guān)報道同時優(yōu)化光能利用率和電荷轉(zhuǎn)移速率兩方面的性能。因此，開發(fā)新型簡單的策略同時優(yōu)化電極兩方面性能有望進一步生物光伏性能。

  近期，中國科學(xué)院化學(xué)研究所王樹研究員團隊及其合作者設(shè)計了一種新型的共軛聚合物-類囊體雜化生物電極用以提高光合作用光反應(yīng)速率和光電轉(zhuǎn)換性能。該電極選用具有多孔結(jié)構(gòu)的碳紙為基底，以光合作用光反應(yīng)的場所類囊體為生物活性材料。首先，在碳紙表面修飾了共軛聚合物PFP。PFP側(cè)鏈帶有季銨鹽基團，一方面可以改善碳紙表面的親水性，另一方面可以通過靜電作用與類囊體結(jié)合，改善界面接觸。然后將類囊體修飾到電極上。為了防止PFP和類囊體脫落，進一步滴涂了Nafion作為封裝。作為質(zhì)子透過膜，Nafion可以高度選擇性透過氫離子和水，因此不會影響電極反應(yīng)。在白光照射下，類囊體主要吸收可見光，發(fā)生光反應(yīng)，分解水產(chǎn)生氧氣、氫離子和電子。電子通過電子傳遞鏈傳遞給碳紙產(chǎn)生光電流。PFP可以作為“分子天線”，吸收紫外光并且通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）將吸收的能量轉(zhuǎn)移給類囊體，提高類囊體的光能利用率，加速了光反應(yīng)速率。同時，PFP的能級與電子傳遞鏈中光合蛋白的氧化還原電位相匹配，可以作為“電子橋梁”將類囊體光反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳遞給電極，加速了界面電子轉(zhuǎn)移速率。測試結(jié)果表明，引入PFP之后，類囊體的光合放氧速率由130 μmol O₂ (mg chl h)^-1提高到了270 μmol O₂ (mg chl h)^-1。光照條件下，電極的界面電子轉(zhuǎn)移阻抗由3448 Ω降低到了660 Ω，光電流由316.6±14.0 nA cm^?2提高到了1245±41.1 nA cm^?2。

  該新型雜化生物電極成功利用了共軛聚合物優(yōu)異的光學(xué)和導(dǎo)電性能，同時優(yōu)化了生物材料的光能利用率以及生物材料與電極材料的界面性能，為光合作用的研究和生物電子器件的構(gòu)筑提供了新思路。本工作發(fā)表在Advanced Electronic Materials（DOI: 10.1002/aelm.201800789）上。中國科學(xué)院化學(xué)研究所周鑫博士為該文章第一作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aelm.201800789