单原子桥联生物-非生物界面促进直接电子传递实现高效太阳能-化学能转化

研究人员针对微生物-半导体杂化系统中界面接触不精确、电子传递效率低等关键问题，通过构建C3N4/Ru-Shewanella（SHE）单原子桥联体系，发现Ru-N4界面结构可使直接电子摄取效率提升11倍，实现8.46%的量子产率。该研究为原子尺度调控生物-非生物界面电荷传递提供了普适性策略，对发展高效太阳能转化系统具有重要意义。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，模拟自然光合作用的人工光合系统成为研究热点。然而传统半导体材料面临太阳能转化效率低、产物选择性差等瓶颈问题。微生物-半导体杂化系统通过整合半导体的光捕获能力与微生物的完整生物催化途径，展现出独特优势。但微生物与材料间复杂的界面相互作用和异质性，导致原子级精确界面接触难以实现，电子传递机制仍不明确，严重制约着系统性能的提升。

新加坡国立大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新性研究，通过构建单原子桥联的生物-非生物界面，成功解决了上述难题。研究人员采用多孔C₃N₄负载钌单原子（PCN/Ru）与Shewanella oneidensis（SHE）组成杂化系统，结合先进表征技术和理论计算，揭示了单原子介导的电子传递新机制。该研究主要运用了以下关键技术：单原子催化剂合成与表征（HAADF-STEM、XAS）、原位单细胞光电测量技术、电化学循环伏安法（CV）、密度泛函理论（DFT）计算以及蛋白质组学分析。

单原子桥联促进直接电子传递
通过精确调控Ru-N₄界面结构，研究发现单原子桥联可使PCN/Ru-SHE的直接电子传递效率较PCN-SHE提升11倍。原位单细胞光电测量显示，Ru-N₄位点显著降低了界面电子转移势垒，光电响应提高3倍。理论计算证实，Ru-N₄与细胞色素C（Heme 10）形成强电子耦合，促进0.16 e^-的直接转移。

太阳能驱动高效产氢
在模拟太阳光照射下，PCN/Ru-SHE杂化系统的H₂产量达到18.6 μmol g^-1 h^-1，较纯SHE和PCN-SHE分别提高47.5倍和14.2倍。量子效率在450 nm处达8.46%，创同类系统新高。蛋白质组学分析显示，单原子桥联显著上调了与电子传递链（EET）和氢代谢相关的蛋白表达。

单原子策略的普适性验证
研究进一步构建PCN/Cu-SHE系统，证实铜单原子同样能促进直接电子传递路径。XAS分析显示Cu²⁺以单原子形式存在，CV测试表明其直接电子传递电流密度显著增加，验证了单原子策略的广泛适用性。

该研究首次在原子尺度阐明了生物-非生物界面的电子传递机制，提出的单原子桥联策略为设计高效太阳能转化系统提供了新思路。通过精确调控界面结构，实现了微生物代谢活性与半导体光捕获能力的协同增强，为生物-能源交叉领域的发展开辟了新途径。特别值得注意的是，研究中建立的原位单细胞光电测量技术，为微观尺度研究界面电荷动力学提供了重要工具。这些创新性发现不仅推动了人工光合作用领域的发展，也为生物电合成、环境修复等应用提供了理论指导。