生物光电化学电池复合系统光电驱动生物转化

　　摘要生物催化以活性高、选择性高、条件温和及底物范围广泛等优势著称,其催化目标氧化还原反应时需消耗氧化还原力.光电化学电池可利用清洁、可持续的光能和电能从水中提取电子并转化为生物催化剂可用的还原力.生物光电化学电池复合系统将生物催化和光电化学电池的优势进行结合,利用光电化学电池为生物催化提供还原力,可实现光电驱动的绿色、可持续的生物催化转化过程.本文基于构成复合系统的功能组件,首先介绍复合系统中光电极的选择策略,随后从酶、微生物两类生物催化剂出发,分别综述了近年来的研究进展,最后展望了该研究领域的未来发展.

　　关键词生物催化,光电化学电池,酶,微生物,光电极

　　近年来,生物催化已逐渐成为公认的合成化学品的绿色工具.生物催化活性高、选择性高、反应条件温和、催化功能多样,特别是过去20年中,生物技术(如定向进化、基因工程)取得了令人瞩目的进步,为替代传统化学合成提供了实用且环境友好的可行方向[1].生物催化氧化还原反应在实际应用中具有重要意义.氧化还原酶需要消耗当量的氧化还原力(如电子、辅因子)驱动底物转化,如何高效、经济地为酶提供氧化还原力是一个关键问题[2].与此同时,光催化也发展为一个备受关注的领域,其显示出良好的经济可行性、环境相容性和可持续性.随着能够利用可见光作为能源的半导体光催化剂被深入研究开发,人类有望利用清洁、丰富、可持续的太阳能来代替传统化石能源[3].

　　光催化剂内部电子受光激发后跃迁至导带,价带产生空穴,如果使用合适的电子供体对空穴加以淬灭,并将导带电子提取至表面,则可为生物催化剂提供还原力.越来越多化学家和生物学家尝试将光催化与生物催化进行结合以构建兼具二者优势的复合系统,利用光催化过程产生还原力以驱动酶的催化还原反应.微生物可视为“一袋酶”,也被广泛应用于复合系统研究,其相对酶的优点是稳定性好、代谢可塑性强.但需要持续的营养和能量供应,且产物缺乏特异性.目前,光-生物催化复合系统的常见模式之一是一锅反应模式:半导体粉末材料和生物催化剂(即光催化氧化过程和生物催化还原过程)被混合于单个反应器.

　　由于光催化剂内部电子-空穴快速复合,一锅反应通常需要添加单电子氧化过程的电子供体(如三乙醇胺)淬灭空穴以保证对导带电子的提取效率,而不能使用四电子氧化过程的水作为供体.生物-光电化学复合系统(photobioelectrochemical,PBEC)是构建复合系统的另一种模式,核心功能组件包括光电极构成的光电化学(PEC)电池和生物催化剂.在PBEC中,光电极捕获光能,该能量被用于在(光)阳极进行水分解并在(光)阴极处产生还原力,生物催化剂通过电极-生物界面捕获、利用还原力以激活生物催化反应.相比于一锅反应,PBEC具有许多优势:首先,由于可以通过施加外部偏压调节电子的准费米能级,利用水分解提供光生电子,从而不需额外添加电子供体,避免副产物积累或其他副反应[4].

　　另外,PBEC通常将光催化反应和生物催化反应分隔于阳极室和阴极室,两室通过半透膜进行隔离和离子交换,电极通过外接导线连接和传输电子.将阳极水氧化和阴极生物催化还原进行分离,可以避免水分解产生氧气对氧敏感生物催化剂造成破坏或氧化性的光激发空穴对产物进行再氧化;两室结构设计允许不同的光电极材料与生物催化剂进行灵活组合,以及分别进行条件优化(缓冲液类型、温度、pH、照明条件等)[5].本文总结了近年来PBEC的研究进展及代表性工作,并对这一领域未来的研究发展方向进行展望.

　　1光电极的研究进展PBEC的设计逻辑是使用光电极构成的PEC将光电化学水氧化与生物催化还原进行结合.光电极吸收光能并转化为还原力,通过直接或间接的界面转移输入到生物催化模块以驱动还原反应.电极不仅为生物催化剂提供了载体,也是发生氧化还原反应的平台,其理化性质至关重要.选择电极材料时应注重其光能吸收和转化效率、生物相容性和稳定性,这是提升PBEC整体性能的基础.

　　在光电阴极|光电阳极的构型中,两个光电极均参与光捕获过程以产生光激发电子-空穴对.光电阳极上的激发空穴被水氧化反应所淬灭,激发电子通过外部导线迁移到光电阴极以填充阴极的激发空穴;光电阴极导带中剩余的激发电子则通过电极-生物界面被直接或间接地转移到生物催化剂[6].目前不同类型的光电极已被应用于不同配置PBEC的相关研究中.

　　1.1无机半导体光阴极

　　在当前开发的PBEC系统中,半导体是制造光电极应用最广泛的材料.p型InP是首个被应用于PBEC的光阴极材料,其具有可见光吸收带隙,导带能级高于电子介体甲基紫精的还原电势,可在光照和0.05Vvs.NHE(一般氢电极)的外加电压下还原甲基紫精,并介导甲酸脱氢酶还原CO2[7].由于大多数光电极产生的光电压通常不足以驱动水氧化和生物催化还原反应,施加外部电压是为了调节电子的准费米能级.只有当光电阴极的导带边缘电势比反应的还原电势更低时,才可能发生目标反应[8].p型半导体比n型半导体更适于驱动阴极的还原反应.

　　其费米能级较低,在电解液中形成能带下弯,导带中光生电子被扫向半导体-电解质界面,而光生空穴则沿相反方向移动.硅基半导体性质稳定、地表含量丰富,其带隙约1.1eV,导带边缘位置约为–0.6Vvs.SHE(标准氢电极),是一种颇有前景的光阴极材料.

　　p型硅纳米线由于量子限制效应而具有可见光吸收特性,其与电解质之间的界面处出现能带弯曲,因此在电极向生物催化剂转移电子的过程中显示出电极电势漂移和较低能垒[9].通过化学沉积将铂负载到硅纳米线上,铂进一步促进光生电荷分离,从而提升电极的光催化性能.然而,硅电极在水溶液中稳定性较差,形成绝缘的SiO2层会影响光电流响应,限制了PBEC的总体效率.将非晶态TiO2薄膜负载到p型硅阴极上能够防止SiO2层的形成,同时具有生物相容性的TiO2涂层也为生物催化剂提供了吸附界面[10].

　　半导体的光吸收范围仍然有限,使用有机染料对半导体进行敏化可使光电极获得更强的可见光吸收性能.在染料敏化的复合光电极上,染料捕获可见光后被激发到激发态,将光生电子注入半导体导带中,激发态染料分子通过水氧化被快速淬灭.例如,将有机染料分子P1负载到p型NiO上构成染料敏化光电阴极[11],可以提升电极的光电响应,弥补NiO可见光吸收性能的短板,但染料在光照下的光漂白限制了其长期效用.

　　1.2无机半导体光阳极

　　为了进一步提高光能利用效率和光电流密度以促进阴极室中的生物催化反应,研究者将n型半导体光电阳极引入PBEC.半导体TiO2光电阳极被应用于PBEC驱动生物产氢的初期尝试中[12],但由于带隙较大,其对可见光吸收的性能十分有限.铁基光阳极(如Fe2O3)成本低、稳定性好,具有可见光吸收性能[13].然而裸Fe2O3的电阻率高、光生空穴扩散长度短、载流子寿命短、内部的光生电荷分离效率低下,限制了水氧化动力学.

　　在半导体光电极上引入助催化剂(如CoPi、FeOOH、TiCo)有助于将半导体内部光生电荷载流子提取到表面,从而促进电荷分离并提供额外的催化位点降低过电势[14].将FeOOH沉积于Fe2O3表面能加速水氧化动力学并增强电极稳定性,FeOOH层降低了电极-电解质界面间电阻,促进电荷转移,增强光电流并且降低水氧化起始电位和反应势垒.相同光照条件下,FeOOH-Fe2O3光阳极产生的氧气量是裸Fe2O3的1.6倍[15].

　　钴磷化合物CoPi是一种常见的析氧催化剂,可有效收集和存储来自阳极的光生空穴并抑制电子-空穴复合来促进析氧反应.通常在光电极上负载CoPi模拟光合系统Ⅱ中的反应中心.Nam等人[16]使用CoPi-Fe2O3光电阳极吸收太阳能以催化水氧化,与甲酸脱氢酶生物阴极耦合,实现光驱动CO2到甲酸的生物转化.由于阴阳两电极分别在双室中催化氧化和还原半反应,单独优化一室的反应条件不会对另一室造成影响:将OH·/OH–氧化还原对引入阳极室碱性溶液中,能促进光激发空穴在Fe2O3中传输,从而加速空穴清除。

　　此外,提高阳极室的pH将所需外加偏压降低了0.36V.钒酸铋(BiVO4)是一种在水性介质中稳定的n型半导体,其直接带隙约为2.4eV,导带接近0Vvs.RHE(可逆氢电极),在热力学上利于水氧化半反应[17].利用光辅助电化学沉积法将FeOOH负载于BiVO4光阳极上,光电流密度(0.87mA/cm2)比裸BiVO4的高5.11倍,并将水氧化起始电位降低了约210mV[18].类似地,TiCoBiVO4光电阳极也被应用于构建PBEC,在光照和低偏压下驱动水分解并实现氢化酶催化H2形成[19].

　　1.3生物光电极除了无机半导体,来自自然界中的光合复合物,如光系统也可以被负载到电极基底上起光电极的作用.光系统Ⅱ(PSⅡ)是自然光合作用中的一种反应中心蛋白,内部叶绿素等发色团吸收太阳能并驱动水氧化以提供激发电子并产生氧化性空穴,氧化性空穴由含Mn4Ca簇的放氧复合物淬灭,同时产生氧气;激发电子通过电子传输链被储存于烟酰胺辅因子NADPH中,NADPH被用于卡尔文循环中生产糖或其他有机化合物.

　　鉴于这些特征,研究者把PSⅡ视为一种生物光电材料,将其从自然光合生物中提取出来构成PBEC的光吸收电极.早期研究将从蓝细菌中提取的PSⅡ复合物沉积到苯醌改性的金电极上,制备PSⅡ功能化的光阳极[20].PSⅡ从水氧化中提取电子,苯醌的醌结构模拟光合作用中的电子传输链,促进光电子转移到金电极.

　　2酶-光电化学电池复合系统

　　氧化还原酶是构建PBEC最常用的一类生物催化剂,通常由绝缘蛋白质和氧化还原辅因子组成.蛋白质结构是底物的识别元件,赋予酶选择性和特异性,大多数酶的活性位点深埋在绝缘蛋白质的内部.有些酶的内部具有辅因子构成的电子传递系统,能够与电极表面建立直接电连接从而实现电子转移,电子转移后,氧化还原力存储到这些辅因子中以驱动活性中心上底物转化[27];有些则缺少辅因子或距离电极表面过远而无法建立电子通讯,需要外源添加辅因子或电子介体以耦合电极和酶,辅助完成电极向生物催化剂的电子转移过程[28].

　　当前应用于PBEC的氧化还原酶主要包括:内部具有金属电子传递系统(如铁硫簇)的氧化还原酶、辅因子深埋于蛋白内部(如血红素)的氧化还原酶,以及依赖于外部非金属辅因子(如FMN、NADH)的氧化还原酶.由于辅因子的差异,这些酶在PBEC中的电子传递机制互不相同,以下将依据辅因子的分类对相关复合体系进行介绍.

　　3微生物-光电化学电池复合系统

　　微生物也可充当PBEC中的生物催化剂,有些微生物具有提供或接受外界电子的能力,与PEC进行耦合可实现光驱动的全细胞催化.相比于分离的酶,微生物展现出许多独特的优势:(1)避免酶的纯化操作可节约成本;(2)细胞具有自我修复能力可增强系统稳定性;(3)细胞自身强大复杂的代谢网络以及代谢可塑性使其有望生产附加值更高的化学品.

　　4总结与展望

　　生物光电化学电池复合系统是光电化学电池和生物催化领域的跨学科研究,有效结合二者优势,为太阳能驱动绿色可持续的生物转化提供了机会.PBEC具有灵活性和多样性,可以耦合不同类型的太阳能捕获设备(半导体光电极、生物光电极或光伏电池)及不同的生物催化剂(酶和微生物).

　　由于机理相对简单,分离的酶是在PBEC基础研究中最基本、常用的生物催化剂,在基于氧化还原酶的PBEC研究中实现了多种有意义的生物转化(如碳固定、产氢、手性合成),同时还明确了电子在电极与酶活性中心之间的传递机制.微生物细胞作为应用于PBEC的新一代生物催化剂,具有独特的代谢可塑性,虽然其电子传递机制尚未被完全阐明,但已具备催化生物固碳、固氮及合成复杂产物的可行性和发展前景.PBEC是一项尚处于发展初期的新技术,在能够实现大规模产业化应用之前,仍需通过强化以下要素来提升系统整体效率和生产价值.

　　(1)开发经济、高效的半导体材料来制造生物相容性光电极,并通过异质结构等改造提供有效的电荷分离和迁移,从而增强电流产生,提高太阳能的转化效率,并实现无偏压的氧化还原生物催化.(2)通过蛋白质工程方法直接改善酶的催化性能.例如:利用表面修饰、定向修饰、氨基酸取代等合理设计,改善酶与电极之间的电化学连通性并最小化界面电子隧穿势垒以提高直接电子转移效率.通过定向进化对酶进行改造,改善酶对人工辅因子的亲和力以替代成本高昂的天然辅因子,改善酶对非天然底物的亲和力使其生产新产品,改善酶的稳定性和鲁棒性.

　　(3)充分发挥微生物的可塑性,通过合成生物学等方法设计催化范围更广、催化性能更强的新型生物催化剂,甚至可以在光电极和非电活性微生物之间建立有效的电化学通讯,这依赖于微生物基因操作工具箱的进一步开发.(4)技术参数优化,包括确定最佳的电解质、培养基组成和反应器设计,改善生物-电极界面以提供增强生物电催化附着力和快速电子传输速率.总之,PBEC的未来发展依赖于酶工程、代谢工程、光电化学和材料科学等多学科领域的合作.

　　参考文献

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　　2WangX,SabaT,YiuHHP,etal.CofactorNAD(P)Hregenerationinspiredbyheterogeneouspathways.Chem,2017,2:621–654

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　　4GrätzelM.Photoelectrochemicalcells.Nature,2001,414:338–344

　　作者：杨楠1,2,田瑶1,2,张劢1,2,郭之旗1,2,宋浩1,