摘要：将太阳能高效转化为清洁氢燃料，为可持续能源的发展开辟了一条前景广阔的路径。然而，目前的半人工光合体系在利用全太阳光谱，尤其是近红外（NIR）区域，仍未得到充分探索。本研究设计并制备了一种具有良好生物相容性的低带隙共轭聚合物纳米片（PyTT-tBAL-HAB），

将太阳能高效转化为清洁氢燃料，为可持续能源的发展开辟了一条前景广阔的路径。然而，目前的半人工光合体系在利用全太阳光谱，尤其是近红外（NIR）区域，仍未得到充分探索。本研究设计并制备了一种具有良好生物相容性的低带隙共轭聚合物纳米片（PyTT-tBAL-HAB），并将其与未经基因编辑的非光合细菌——大肠杆菌（E. coli）结合，显著提升了太阳能驱动的生物产氢效率。该材料不仅展现出优异的近红外光吸收特性，其与大肠杆菌的整合促进了高效电子转移，使得在近红外光照射下的产氢速率提升约1.96倍。值得注意的是，该杂化系统在940 nm波长处实现了18.36%的量子效率，表现出强大的光能转化潜力。本研究成果充分证明了低带隙共轭聚合物纳米片作为先进光敏剂在构建高效半人工光合体系中具有广阔应用前景，也为更全面、高效地利用太阳光谱提供了有力支撑。

背景介绍

在碳中和目标和气候变化压力的推动下，氢能因其高能量密度和零碳排放特性，成为极具潜力的清洁替代能源。然而，当前主流的氢气生产依赖化石燃料，亟需更绿色的解决方案。太阳能驱动的生物制氢技术因具备可再生、可扩展的优势而受到关注，但其在光谱利用效率和电子转移效率方面仍存在瓶颈。半人工光合体系将光催化半导体与生物体结合，为高效转换和储存太阳能提供了新路径。共轭聚合物因其可调的电子结构、优异的光吸收能力以及良好的生物相容性，在该体系中展现出巨大潜力。通过合理的结构设计和对生物电子过程的精确控制，共轭聚合物有望推动半人工光合体系的构建与应用。本研究基于吩嗪结构设计出一种新型低带隙共轭聚合物纳米片（PyTT-tBAL-HAB），与未经基因编辑的非光合细菌——大肠杆菌（E. coli）协同构建高效NIR响应的半人工光合体系，显著提升了氢气产量和量子效率，展示了其在可持续能源领域的应用潜力，论文第一作者为周洁。

本文亮点

1.低带隙共轭聚合物纳米片实现高效近红外光响应

本文通过设计吩嗪基共轭聚合物纳米片，展现出优异的近红外光吸收与电子迁移性能，为提升半人工光合系统的光能利用效率提供了关键材料支撑。

2.半人工光合系统产氢性能大幅提升，量子效率高达18.36%

本工作通过将低带隙聚合物纳米片与大肠杆菌协同构建半人工光合系统，在940 nm波长处实现18.36%的量子效率，显著提升了产氢速率和系统稳定性，性能超越传统体系。

3.多维解析揭示聚合物-细菌间的电子转移与基因调控机制

本研究结合光电实验与转录组分析，系统揭示了聚合物纳米片与非光合细菌之间的电荷转移路径及其诱导的基因表达变化，深化了对光电子驱动下酶激活与代谢耦合机制的理解。

图文解析

图1.（a）PyTT-tBAL-HAB合成路线和化学结构示意图。（b）剥离的PyTT-tBAL-HAB 纳米片的AFM图像和相应的高度分布。（c）PyTT-tBAL-HAB纳米片的紫外-可见漫反射光谱。插图显示了相应的Tauc图。（d）PyTT-tBAL-HAB纳米片的能带结构和与PEI修饰的大肠杆菌相互作用的H2生成简化图。

图2.（a）PEI修饰的大肠杆菌细胞膜示意图。（b）PyTT-tBAL-HAB纳米片、PEI修饰的大肠杆菌和杂合体的Zeta电位。（c）通过将PyTT-tBAL-HAB纳米片滴到大肠杆菌溶液中得到的等温滴定微量热曲线。（d）沉积在AAO模板上的生物杂合体的SEM图像（比例尺：1 µm）。大肠杆菌被染成红色，纳米片被染成青色。使用成像流式细胞术获得的（e）大肠杆菌和（f）生物杂合体的代表性图像。大肠杆菌用碘化丙啶染色。

图3.大肠杆菌和生物杂合体在黑暗或不同光波长下光照3小时后的氢气产量，其中（a）含有（b）不含葡萄糖。（c）在不同波长下测量的生物杂合体在含有或不含葡萄糖的体系中的量子效率。最近报道的生物杂合体（d）含有（e）不含葡萄糖的量子效率比较。（f）不同生物杂合体和纯大肠杆菌在近红外光照射下随时间累积的氢气产量。

图4.大肠杆菌、PyTT-tBAL-HAB纳米片和生物杂合体的（a）PL谱图（370 nm处激发），（b）TCSPC测试谱图，（c）瞬态开闭光的光电流谱图，（d）EIS奈奎斯特图。

图5（a）差异表达基因的火山图（灰色：差异不显著的基因；粉色：上调的基因；蓝色：下调的基因）。（b）差异表达基因的热图。E. coli组及生物杂合体光照（100 mW cm−2）72小时后的生物基因的（c）KEGG富集和（d）GO富集。

图6.在太阳光照射下，由PEI修饰的大肠杆菌和PyTT-tBAL-HAB纳米片构建的生物杂合体中生物氢产量增强的机制示意图。

总结

总的来说，本工作通过将低带隙共轭聚合物纳米片PyTT-tBAL-HAB与未经基因编辑的非光合细菌大肠杆菌整合，成功构建了一种可在宽光谱太阳辐照下实现产氢的半人工光合系统。该系统在近红外光照射下产氢提升1.96倍，并在940 nm波长处达18.36%量子效率，展现出近红外驱动半人工生物杂合体制氢的巨大潜力。通过对电荷转移过程和基因表达的系统研究，我们揭示了聚合物纳米片与大肠杆菌之间高效的电子传输机制，显著促进了菌体内糖酵解过程和甲酸生成，进而通过甲酸途径和丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR）途径强化产氢。该研究强调了生物相容性好、低带隙共轭聚合物作为高效光敏剂的潜力，并为未来构建高效稳定的半人工光合系统奠定基础。

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

来源：小吴说科学