生物杂化光电器件界面工程新策略：推动太阳能燃料高效转化

本刊推荐：为解决传统光电器件选择性差、过电位高及依赖贵金属催化剂等问题，研究人员开展生物杂化光电器件界面工程研究，系统评述了直接/介导电子转移策略对催化效率、稳定性及规模化应用的影响，提出整合全细胞催化剂与高性能半导体支架的创新路径，为太阳能驱动化学合成提供了新范式。

　　

随着全球能源危机和碳排放问题日益严峻，如何将太阳能高效转化为化学燃料成为科学界关注的焦点。光 electrochemical（PEC）催化技术因能模拟自然光合作用过程而备受瞩目，但其发展仍面临产物选择性低、过电位高、依赖贵金属催化剂等挑战。在这一背景下，融合生物催化剂与人工材料的生物杂化PEC系统应运而生，通过整合酶、光合系统乃至全细胞微生物与半导体材料，为温和条件下实现高选择性催化提供了新思路。

尽管生物杂化PEC系统展现出巨大潜力，其实际应用却受限于界面电荷转移效率低、生物催化剂稳定性差及规模化制备困难等瓶颈。为解决这些问题，乌普萨拉大学的Bin Cai、Mariia V. Pavliuk、Gustav Berggren和Haining Tian团队在《Nature Communications》发表了前瞻性综述，系统分析了近十年该领域的研究进展，重点探讨了界面工程策略对器件性能的调控机制。

研究通过总结两类生物杂化PEC系统结构（Type I：生物光源+酶；Type II：半导体光源+生物催化剂），指出Type II系统通过整合人工半导体的高效光捕获能力与生物催化剂的高选择性，更具规模化应用潜力。团队进一步从直接电子转移（DET）和介导电子转移（MET）两个维度，梳理了界面优化的关键技术路径。

关键技术方法

研究重点分析了界面工程策略：①基底纳米结构化（如多孔TiO₂、ITO支架）提升生物催化剂负载量；②共价键定向固定优化电子传输距离；③界面层修饰（如ZnO/Cu₂O异质结、聚多巴胺）增强生物相容性；④蛋白质介质（如细胞色素c）、小分子介质（如DCBQ、紫精）及氧化还原聚合物（如Os配合物聚合物）调控电子穿梭效率。其中全细胞催化剂与流动池反应器的结合被强调为规模化应用的关键方向。

界面工程策略与性能优化

直接电子转移策略

通过基底纳米结构化（如多孔硅、三维宏观孔支架）可显著增加生物催化剂负载量。例如，Moore等人通过在多孔TiO₂层固定甲酸脱氢酶（FDH），在0.4 V vs. RHE条件下实现5 mA cm^-2的光电流，太阳能-甲酸转化效率接近1%。共价键连接（如EDC化学交联）可精准控制生物催化剂取向，Laccase/In₂S₃体系的光电流较物理吸附提升5倍。界面层修饰（如TiO₂/p-Si、ZnO/Cu₂O）不仅保护半导体基底，还通过构建内建电场促进电荷分离。

介导电子转移策略

细胞色素c（cyt c）作为蛋白质介质虽具有高生物相容性，但其解离速率常成为限速步骤。小分子介质（如DCBQ、CO₂/HCOO^-）通过可调氧化还原电位实现高效电子穿梭，使蓝藻基器件的量子效率达29%。氧化还原聚合物（如Os配合物聚合物、聚二羟基苯胺）兼具电子传导与生物催化剂固定功能，其中viologen基聚合物使染料敏化NiO光阴极的光电流提升2倍，且稳定性显著增强。

未来展望：从H型电池到流动池系统

研究指出，未来生物杂化PEC系统需向偏压自由串联架构发展，以太阳能驱动多酶级联反应，将CO₂和H₂O转化为高附加值碳基化合物（C_xH_yO_z）。替代水氧化反应（OER）的阳极过程（如醇氧化）可提升系统经济性。流动池反应器通过优化传质与热管理，有望解决规模化制备难题。此外，建立标准化性能评估标准（如偏压光子-电流效率、法拉第效率）对推动领域发展至关重要。

结论与意义

该研究系统阐明了生物杂化PEC器件界面工程的核心作用，证明多策略协同优化（如纳米结构基底+共价固定+聚合物介质）可实现高效、稳定的太阳能-化学能转化。通过整合高性能半导体、全细胞催化剂及流动池架构，生物杂化PEC技术为可持续能源转化提供了可规模化实施的解决方案，尤其在高附加值化学品合成领域展现出不可替代的优势。