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为解决无半导体生物光阴极高光电流密度难以突破的问题，研究人员开展基于光合系统 I（PSI）集成于含单壁碳纳米管（SWCNTs）的溶剂化氧化还原聚合物薄膜的研究，结果使光电流密度超 2mA cm?2 ，为半人工光电化学器件发展奠基。
在当今追求可持续能源的时代，太阳能的高效利用成为了科研领域的热门话题。其中，模拟自然光合作用，开发半人工光合作用系统用于太阳能转换，更是吸引了无数科研人员的目光。光合系统 I（Photosystem I，PSI）作为自然光合作用中的关键蛋白，在吸收光能后能进行高效的电荷分离，产生具有高能量的电子，理论上可驱动 H+ 或 CO2 还原，这使得它成为了构建半人工光电化学器件的理想组件。
然而，在实际研究中，PSI 基生物光阴极面临着诸多挑战。早期，将 PSI 直接自组装在电极表面时，PSI 的负载量极为有限，光电流密度仅处于 nA cm?2 级别。科研人员尝试了多种方法来提高 PSI 的负载量，比如构建多层 PSI 薄膜，利用聚苯胺、PEDOT:PSS 等材料，但效果仍不尽人意。后来，将 PSI 与聚（乙烯基咪唑）Os（联吡啶）2Cl 氧化还原聚合物结合，形成了交联的氧化还原水凝胶，虽然一定程度上提高了 PSI 的负载量和电子转移速率，使光电流密度达到了 μA cm?2 级别，甚至在特定条件下达到了 322 ± 19 μA cm?2 ，但这距离高效的光能量转换目标仍有较大差距。而且，氧化还原水凝胶层的厚度因自身特性受限，难以进一步提高负载能力。
在这样的背景下，中国的研究人员决心攻克这些难题，开展了一项极具创新性的研究。他们致力于探究将单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）引入到由 PSI 和含 Os 配合物的氧化还原聚合物组成的氧化还原水凝胶薄膜中，是否能够提升生物光阴极的性能。
研究人员取得了令人瞩目的成果。他们成功制备出了性能显著提升的基于 PSI 的生物光阴极。其中，光电流密度大幅增加，超过了 2mA cm?2 ，这是目前无半导体 PSI 基光阴极中达到的最高值。同时，电极组件的稳定性也得到了增强。这一成果对于半人工光电化学器件的发展意义重大，为实现高效的光能量转换提供了新的思路和方法，有望推动相关领域的进一步发展。该研究成果发表在《Bioelectrochemistry》杂志上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是材料的制备与修饰，对 SWCNTs 进行处理使其能更好地与氧化还原水凝胶结合；其次，利用扫描电子显微镜（SEM）对修饰后的底物进行表征，观察 SWCNTs 在电极表面的形态和分布情况。
下面详细介绍研究结果：
- SEM 表征修饰底物：通过 SEM 表征修饰后的金底物发现，无论是物理吸附（SWCNTs/Au）还是共价键合（a-SWCNTs/Au）的羧基化 SWCNTs，都呈现出管状结构且相互交织。a-SWCNTs/Au 中的 SWCNTs 有聚集现象，这与之前的研究结果相符。之后，在其上制备含氧化还原聚合物（POs ）的交联氧化还原水凝胶。
- 光电流密度提升：将 SWCNTs 引入氧化还原水凝胶薄膜后，生物光阴极的光电流密度显著提高，超过 2mA cm?2 。这得益于 SWCNTs 作为电支架，促进了电极表面氧化还原膜纳米结构的形成，使得纳米结构的氧化还原水凝胶能够实现高表面负载和加速电子转移动力学。
- 电极构建方式的影响：研究发现，通过共价键将 SWCNTs 预沉积在电极表面构建的生物电极，性能优于将 SWCNTs 与氧化还原水凝胶共固定形成的电极。
- 光吸收性能良好：含有 SWCNTs 的纳米结构氧化还原膜具有良好的光吸收性能，在低光强 0.14mW cm?2 下，入射光子 - 电流效率（IPCE）达到 10%。
研究结论表明，SWCNTs 作为电支架引入氧化还原水凝胶薄膜，极大地增强了纳米结构氧化还原水凝胶的稳定性和负载能力。同时，由于 SWCNTs 独特的催化和导电性能，改善了电子转移动力学，使得基于 PSI 的生物光阴极在光转换方面表现出高效性。特别是当羧基功能化的碳纳米管与电极共价键合时，能更有效地提升电极性能。
从讨论部分来看，该研究不仅成功提高了 PSI 基生物光阴极的光电流密度和稳定性，还为后续研究提供了新的方向。例如，进一步优化 SWCNTs 与氧化还原水凝胶的结合方式，可能会实现更高的光转换效率。此外，这种纳米结构的设计理念也可以拓展到其他类似的生物电化学系统中，为开发更高效、更环保的半人工光电化学器件奠定了坚实的基础。总的来说，这项研究在生物电化学和光能量转换领域具有重要的意义，为解决能源问题提供了新的可能途径。
