三维导电共轭聚电解质凝胶促进界面电子转移提升生物光伏性能

本研究针对生物光伏系统中光合微生物与电极界面电子转移效率低的关键问题，通过将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-磺酸盐(PEDOT-S)与聚球藻Synechococcus elongatus PCC 7942自组装形成三维导电生物复合材料，实现了单细胞水平光电流10倍提升。该工作为开发高效生物光伏器件提供了新型界面工程策略。

　　

在应对全球能源危机和环境污染的背景下，利用光合微生物将太阳能转化为电能的生物光伏技术(BPV)展现出巨大潜力。然而，这类技术长期面临一个关键瓶颈：微生物与电极之间的"交流障碍"。就像两个语言不通的人难以有效沟通一样，光合微生物产生的电子往往难以高效传递到人工电极表面。这种界面电子转移(IET)效率低下导致整个系统的太阳能-电能转换效率普遍低于1%，严重制约了实际应用。

针对这一挑战，新加坡国立大学功能智能材料研究所(I-FIM)的Zhongxin Chen、Samantha R. McCuskey等研究人员在《Nature Communications》发表创新成果。他们巧妙设计了一种水溶性共轭聚电解质(CPE)——PEDOT-S，通过与光合蓝藻Synechococcus elongatus PCC 7942自组装形成三维导电生物复合材料。这种"活体电子桥梁"不仅保持了90%以上的细胞活性，更实现了单细胞水平0.18 nA的光电流输出，比裸藻体系提升10倍。该研究为破解生物-非生物界面电子传递难题提供了新思路。

研究团队主要采用四大关键技术：(1)通过铁盐氧化聚合合成自掺杂PEDOT-S，利用流变学表征其凝胶特性；(2)构建三电极光电化学系统，结合计时电流法(CA)和电化学阻抗谱(EIS)评估界面电荷转移；(3)采用扫描电镜(SEM)和共聚焦显微镜(CLSM)解析生物复合材料的三维微观结构；(4)开发单细胞多模态显微平台，实现单细胞分辨率的光电流成像与定量分析。

Characterizations and properties of PEDOT-S
研究人员首先证实PEDOT-S在可见光区(400-700 nm)具有80%以上的透光率，同时近红外区(>1000 nm)的极化子吸收表明其高度p掺杂状态。电化学测试显示该材料在BG11培养基中形成粘弹性凝胶(G'>G")，弹性模量达10³ Pa，为细胞提供理想的3D生长环境。生物相容性实验表明2 mg mL^-1浓度下细胞存活率无显著影响。

Fabrication of PEDOT-S/S. elongatus biocomposites and morphological studies
通过SEM和CLSM观察到，裸藻细胞在电极表面呈不均匀分布(<10 μm)，而PEDOT-S复合材料中细胞均匀分散于30 μm厚的三维网络中。这种结构既保证了光吸收，又建立了连续的电荷传输通道。

Photocurrent output facilitated by the PEDOT-S matrix
在无外源介质条件下，5 mg mL^-1 PEDOT-S使光电流密度(J_ph)从0.004提升至0.091 μA cm^-2。电化学阻抗谱显示电荷转移电阻(R_CT)从2500 Ω cm^-2降至350 Ω cm^-2。加入1 mM K₃[Fe(CN)₆]介质后，2 mg mL^-1复合材料J_ph达0.83 μA cm^-2，且12小时内保持70%以上活性。

Microscopic cell-electrode interactions demonstrated by single-cell photocurrent mapping
最具突破性的发现来自单细胞分析：PEDOT-S使单个细胞光电流从0.018提升至0.18 nA，证实了材料对微观尺度电子传输的促进作用。光电流与细胞数量呈线性关系，表明三维网络实现了均匀的"细胞-电极"互联。

这项研究通过创新的"生物-材料共设计"策略，解决了生物光伏领域长期存在的界面电子转移效率低下问题。PEDOT-S构建的三维混合导电网络同时优化了三个关键参数：(1)保持光合活性所需的光穿透性；(2)降低界面电荷转移势垒；(3)实现单细胞水平的电子收集效率提升。这种软性生物电子界面材料的设计原则，不仅适用于生物能源领域，还可拓展至微生物电合成、生物传感等多个交叉学科。研究展示的多尺度表征方法，特别是单细胞光电流成像技术，为定量解析生物-非生物界面过程建立了新范式。