缺陷工程化的铁钛阳极通过氧空位相关的自旋活性促进电活性生物膜形成和界面电子传递

《Bioresource Technology》：Defect-engineered Fe-Ti anodes with oxygen-vacancy-associated spin activity promote electroactive biofilm formation and interfacial electron transfer

　　

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  氧空位建立了自旋活性的Fe-Ti生物阳极界面。
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  SP-Fe-Ti在73天的MFC运行中恢复了1.86倍的电荷。
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  SP-Fe-Ti增强了生物膜-电极界面电化学活性。
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  质子敏感的EPS动力学将SP-Fe-Ti阳极与更快的电子传递联系起来。

引言

微生物电化学系统为将废水中可生物降解有机物的去除与直接电子回收相结合提供了一条途径，但其性能在很大程度上取决于电活性微生物将代谢电子转移至固体阳极的效率（Ter Heijne和Harnisch，2024）。因此，电活性生物膜不仅仅是一层生物质；它充当一种活电催化剂。代谢电子必须穿过细胞被膜，随后可通过一条或多条互补途径到达电极，这些途径涉及外表面多血红素细胞色素、导电蛋白附属物、可溶性或基质结合的氧化还原介体，以及胞外聚合物（EPS）的氧化还原活性组分（Lovley和Holmes，2022；Portela等，2024；Xiao等，2017）。然而，生物膜生长与传输之间的这种耦合产生了一个核心设计权衡。增加电活性生物质可以提高底物氧化速率，而过度增厚的生物膜则会延长传质路径、削弱缓冲能力、促进局部质子积累和酸化，并增加跨生物膜的接触或电荷传输损失（Gu等，2025；Gu等，2023；Pereira等，2022；Wang等，2026）。因此，低效的界面胞外电子传递会限制电流密度和库仑效率，而生物膜衰变则会进一步削弱长期运行稳定性（Liu等，2023）。

大多数生物阳极研究试图通过改性常规碳或金属电极来克服这一限制，以增加表面积、粗糙度、润湿性、导电性和微生物亲和力（Kumar等，2017；Li等，2021；Ma等，2023）。在这些策略中，表面官能化可以强烈改变阳极呼吸和电活性生物膜的发育，而导电纳米结构和氧化还原位点工程可以缩短电子传递途径或增加电化学可接触的反应位点数量（Jiang等，2023a；Li等，2021；Meng等，2022）。例如，原子级调控的氮官能团已被用于匹配黄素反应位点，并将可扩散介体转化为电极相关的氧化还原中心；膜相关银纳米颗粒显著增加了从Shewanella细胞中提取的电荷（Cao等，2021；Wu等，2020）。这些研究表明，生物-非生物界面的分子和电子相容性可能比体相电导率更为重要。然而，许多报道的性能提升仍难以从机理上解析，因为改性电极可能同时改变生物膜负载、表面化学、介体吸附和本征电子传递动力学。此外，短期峰值功率的增加并不能确定在长期废水相关运行过程中，工程化电子结构在成熟生物膜下方是否保持稳定。

缺陷工程提供了一条可能更精确的途径来调控生物阳极的电子性质。Ti基多孔基底具有机械鲁棒性，而TiO₂具有化学稳定性和生物相容的氧化物表面；然而，化学计量比的TiO₂导电性有限。产生氧空位可以生成Ti³⁺相关的缺陷态，增加载流子密度，重新分布界面电荷，并产生配位不饱和位点（Pan等，2013；Wu等，2023）。碳纸上的缺氧TiO₂纳米棒阵列已被证明可以改善微生物燃料电池阳极性能，这确立了氧空位工程与生物电化学界面的相关性（Chen等，2021）。氧空位还可以稳定分散的过渡金属中心，并将其d轨道与Ti 3d及缺陷相关态耦合（Dai等，2024；Shen等，2023；Yang等，2022）。原则上，将含Fe表面物种耦合到富空位的TiO₂环境中，可以生成具有更高电子密度、改变氧化还原能量学以及具有未成对电子特征的Fe-Ti界面（Chen等，2024；Dai等，2024；Wang等，2023）。然而，先前的缺氧生物阳极主要从导电性、表面活性和微生物黏附等常规效应来解读。空位耦合的Fe-Ti态在长期生物膜生长过程中是否持续存在，以及它们是否调控生物电子传递网络而非仅仅影响非生物电极电阻，仍然尚未解决。

电子自旋为缺陷工程电极与微生物电子导管之间提供了潜在的联系。例如，通过Shewanella oneidensis细胞表面多血红素细胞色素MtrF和OmcA的电子传输是自旋选择性的（Mishra等，2019）。随后的测量表明，跨膜MtrA和周质小四血红素细胞色素中也存在自旋选择性，这表明自旋依赖性传输延伸到胞外电子传递链的多个组分（Niman等，2023）。这些发现与手性诱导自旋选择性概念一致，在该概念中，通过手性生物分子结构的电荷传输优先传输一种自旋取向，并可能抑制电子反向散射。这些发现提出了这样一种可能性：呈现相容自旋活性接受态的电极可以增强与微生物细胞色素的电子耦合。然而，现有证据主要来自纯化蛋白质或分子结，即使这些研究也强调，如果没有完整细胞和体内电化学验证，就无法推断自旋选择性的生理重要性。

胞外聚合物（EPS）可能是这种材料-生物学耦合的关键介体。EPS的数量、结合状态和氧化还原性质受电化学环境的调控。改变阳极电位已被证明可以重塑混合群落生物膜中EPS的产生、组成和电活性（Li等，2025；Zhang等，2024）。质子传输同样重要，因为微生物氧化同时产生电子和质子，局部质子积累可以限制代谢和界面电子传递（Pereira等，2022；Wang等，2026）。最近实时pH成像已证实，质子产生、缓冲和扩散在产电生物膜内产生动态质子分布（Gu等，2025；Liu等，2026）。生物膜尺度的质子和pH微环境在空间上可能是异质的，因此测量应结合位置和尺度进行解读。同时，蛋白样细胞壁物质的电极化已被证明可以重组氢键并促进质子耦合的跨细胞壁电子传递（Yu等，2023a）。通常，电极表面的电子传递可以在界面PCET框架内解读，该框架将质子传递坐标与电子传递能量学耦合（Jackson等，2019；Lewis等，2024）。尽管取得了这些进展，但空位诱导的自旋活性阳极是否能够指导形成具有独特质子敏感氧化还原动力学的富含蛋白质EPS网络，仍不得而知。

在此，我们在匹配的TiO₂/Ti泡沫基底上构建了富氧空位、自旋极化的Fe-Ti阳极（命名为SP-Fe-Ti）和空位抑制、自旋抑制的Fe-Ti对照（命名为SD-Fe-Ti）。我们假设空位耦合的Fe-Ti界面可能提供更有利的末端电子接受环境，从而加速界面电子提取，并选择更致密、电化学功能更强的生物膜。为验证这一假设，我们结合了两种阳极运行前后的理化性质表征、73天的电流监测、累积电子回收、库仑效率分析、周转和非周转伏安法、差分脉冲伏安法、阻抗谱、显微镜、EPS分级、膜完整性分析以及H/D动力学同位素实验。这种综合设计旨在不仅确定SP-Fe-Ti是否改善了生物阳极性能，而且确定电极电子态如何与长期生物膜活力、EPS重塑和质子敏感的胞外氧化还原动力学相关联。

章节片段

SP-Fe-Ti和SD-Fe-Ti阳极的制备

SP-Fe-Ti和SD-Fe-Ti电极采用改编自Dai等人（Dai等，2024）的改良方案制备。简而言之，整体式TiO_x/Ti电极（2?cm?×?2 cm）以5?°C min^?1升温至400?°C，并在指定气氛下保持3?h。对于SP-Fe-Ti，电极首先在5?% H₂/Ar气氛下处理以在天然TiO_x层上产生氧空位。将FeCl₃·6H₂O的乙醇溶液（4?mg Fe mL^?1）以125?μL face^?1 cycle^?1的速率沉积，每个面进行两个循环，并

氧空位在SP-Fe-Ti中建立了独特且持久的电子态

图1a和图1b分别展示了SP-Fe-Ti和SD-Fe-Ti的合成过程。两种电极使用相同的TiO_x/Ti基底、Fe前驱体负载路径、热持续时间以及几何构型。通常，H₂/Ar处理在TiO_x表面产生更多氧空位，并可能促进相邻Fe/Ti位点的电子重新分布（图1a），而O₂/空气氧化处理抑制了富空位态（图1b）。这种合成设计为两种电极提供了

结论

总体而言，我们的研究结果表明，调控阳极自旋态为加速MFC中跨生物膜-阳极界面的EET提供了一种有前景的策略。具体而言，氧空位工程在SP-Fe-Ti生物阳极中产生了持久、富电子且自旋活性的Fe-Ti界面。与空位抑制的SD-Fe-Ti相比，SP-Fe-Ti在73天的MFC运行中恢复了约1.8倍的累积电荷，保持了明显更高的稳定期和后期电流，并且

CRediT作者贡献声明

Zian Wang: 写作——审阅与编辑、写作——原稿、软件、方法学、正式分析、概念化。 Kun Lu: 写作——审阅与编辑、写作——原稿、监督、方法学。 Zhengtao Li: 写作——审阅与编辑、监督、方法学、概念化。 Yunrong Wu: 软件、调查。 Lulu Wang: 软件、调查。 Yuxin Wang: 软件、调查。 Meizhen Wang: 写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的相互竞争经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢浙江省“尖兵”研发计划（批准号：2024C03131）、国家自然科学基金（批准号：U24A20517和22376097）以及浙江省自然科学基金（LMS26B070002）的资助。

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