摘要生物催化以活性高、選擇性高、條件溫和及底物范圍廣泛等優勢著稱,其催化目標氧化還原反應時需消耗氧化還原力.光電化學電池可利用清潔、可持續的光能和電能從水中提取電子并轉化為生物催化劑可用的還原力.生物光電化學電池復合系統將生物催化和光電化學電池的優勢進行結合,利用光電化學電池為生物催化提供還原力,可實現光電驅動的綠色、可持續的生物催化轉化過程.本文基于構成復合系統的功能組件,首先介紹復合系統中光電極的選擇策略,隨后從酶、微生物兩類生物催化劑出發,分別綜述了近年來的研究進展,最后展望了該研究領域的未來發展.

　　關鍵詞生物催化,光電化學電池,酶,微生物,光電極

　　近年來,生物催化已逐漸成為公認的合成化學品的綠色工具.生物催化活性高、選擇性高、反應條件溫和、催化功能多樣,特別是過去20年中,生物技術(如定向進化、基因工程)取得了令人矚目的進步,為替代傳統化學合成提供了實用且環境友好的可行方向[1].生物催化氧化還原反應在實際應用中具有重要意義.氧化還原酶需要消耗當量的氧化還原力(如電子、輔因子)驅動底物轉化,如何高效、經濟地為酶提供氧化還原力是一個關鍵問題[2].與此同時,光催化也發展為一個備受關注的領域,其顯示出良好的經濟可行性、環境相容性和可持續性.隨著能夠利用可見光作為能源的半導體光催化劑被深入研究開發,人類有望利用清潔、豐富、可持續的太陽能來代替傳統化石能源[3].

　　光催化劑內部電子受光激發后躍遷至導帶,價帶產生空穴,如果使用合適的電子供體對空穴加以淬滅,并將導帶電子提取至表面,則可為生物催化劑提供還原力.越來越多化學家和生物學家嘗試將光催化與生物催化進行結合以構建兼具二者優勢的復合系統,利用光催化過程產生還原力以驅動酶的催化還原反應.微生物可視為“一袋酶”,也被廣泛應用于復合系統研究,其相對酶的優點是穩定性好、代謝可塑性強.但需要持續的營養和能量供應,且產物缺乏特異性.目前,光-生物催化復合系統的常見模式之一是一鍋反應模式:半導體粉末材料和生物催化劑(即光催化氧化過程和生物催化還原過程)被混合于單個反應器.

　　由于光催化劑內部電子-空穴快速復合,一鍋反應通常需要添加單電子氧化過程的電子供體(如三乙醇胺)淬滅空穴以保證對導帶電子的提取效率,而不能使用四電子氧化過程的水作為供體.生物-光電化學復合系統(photobioelectrochemical,PBEC)是構建復合系統的另一種模式,核心功能組件包括光電極構成的光電化學(PEC)電池和生物催化劑.在PBEC中,光電極捕獲光能,該能量被用于在(光)陽極進行水分解并在(光)陰極處產生還原力,生物催化劑通過電極-生物界面捕獲、利用還原力以激活生物催化反應.相比于一鍋反應,PBEC具有許多優勢:首先,由于可以通過施加外部偏壓調節電子的準費米能級,利用水分解提供光生電子,從而不需額外添加電子供體,避免副產物積累或其他副反應[4].

　　另外,PBEC通常將光催化反應和生物催化反應分隔于陽極室和陰極室,兩室通過半透膜進行隔離和離子交換,電極通過外接導線連接和傳輸電子.將陽極水氧化和陰極生物催化還原進行分離,可以避免水分解產生氧氣對氧敏感生物催化劑造成破壞或氧化性的光激發空穴對產物進行再氧化;兩室結構設計允許不同的光電極材料與生物催化劑進行靈活組合,以及分別進行條件優化(緩沖液類型、溫度、pH、照明條件等)[5].本文總結了近年來PBEC的研究進展及代表性工作,并對這一領域未來的研究發展方向進行展望.

　　1光電極的研究進展PBEC的設計邏輯是使用光電極構成的PEC將光電化學水氧化與生物催化還原進行結合.光電極吸收光能并轉化為還原力,通過直接或間接的界面轉移輸入到生物催化模塊以驅動還原反應.電極不僅為生物催化劑提供了載體,也是發生氧化還原反應的平臺,其理化性質至關重要.選擇電極材料時應注重其光能吸收和轉化效率、生物相容性和穩定性,這是提升PBEC整體性能的基礎.

　　在光電陰極|光電陽極的構型中,兩個光電極均參與光捕獲過程以產生光激發電子-空穴對.光電陽極上的激發空穴被水氧化反應所淬滅,激發電子通過外部導線遷移到光電陰極以填充陰極的激發空穴;光電陰極導帶中剩余的激發電子則通過電極-生物界面被直接或間接地轉移到生物催化劑[6].目前不同類型的光電極已被應用于不同配置PBEC的相關研究中.

　　1.1無機半導體光陰極

　　在當前開發的PBEC系統中,半導體是制造光電極應用最廣泛的材料.p型InP是首個被應用于PBEC的光陰極材料,其具有可見光吸收帶隙,導帶能級高于電子介體甲基紫精的還原電勢,可在光照和0.05Vvs.NHE(一般氫電極)的外加電壓下還原甲基紫精,并介導甲酸脫氫酶還原CO2[7].由于大多數光電極產生的光電壓通常不足以驅動水氧化和生物催化還原反應,施加外部電壓是為了調節電子的準費米能級.只有當光電陰極的導帶邊緣電勢比反應的還原電勢更低時,才可能發生目標反應[8].p型半導體比n型半導體更適于驅動陰極的還原反應.

　　其費米能級較低,在電解液中形成能帶下彎,導帶中光生電子被掃向半導體-電解質界面,而光生空穴則沿相反方向移動.硅基半導體性質穩定、地表含量豐富,其帶隙約1.1eV,導帶邊緣位置約為–0.6Vvs.SHE(標準氫電極),是一種頗有前景的光陰極材料.

　　p型硅納米線由于量子限制效應而具有可見光吸收特性,其與電解質之間的界面處出現能帶彎曲,因此在電極向生物催化劑轉移電子的過程中顯示出電極電勢漂移和較低能壘[9].通過化學沉積將鉑負載到硅納米線上,鉑進一步促進光生電荷分離,從而提升電極的光催化性能.然而,硅電極在水溶液中穩定性較差,形成絕緣的SiO2層會影響光電流響應,限制了PBEC的總體效率.將非晶態TiO2薄膜負載到p型硅陰極上能夠防止SiO2層的形成,同時具有生物相容性的TiO2涂層也為生物催化劑提供了吸附界面[10].

　　半導體的光吸收范圍仍然有限,使用有機染料對半導體進行敏化可使光電極獲得更強的可見光吸收性能.在染料敏化的復合光電極上,染料捕獲可見光后被激發到激發態,將光生電子注入半導體導帶中,激發態染料分子通過水氧化被快速淬滅.例如,將有機染料分子P1負載到p型NiO上構成染料敏化光電陰極[11],可以提升電極的光電響應,彌補NiO可見光吸收性能的短板,但染料在光照下的光漂白限制了其長期效用.

　　1.2無機半導體光陽極

　　為了進一步提高光能利用效率和光電流密度以促進陰極室中的生物催化反應,研究者將n型半導體光電陽極引入PBEC.半導體TiO2光電陽極被應用于PBEC驅動生物產氫的初期嘗試中[12],但由于帶隙較大,其對可見光吸收的性能十分有限.鐵基光陽極(如Fe2O3)成本低、穩定性好,具有可見光吸收性能[13].然而裸Fe2O3的電阻率高、光生空穴擴散長度短、載流子壽命短、內部的光生電荷分離效率低下,限制了水氧化動力學.

　　在半導體光電極上引入助催化劑(如CoPi、FeOOH、TiCo)有助于將半導體內部光生電荷載流子提取到表面,從而促進電荷分離并提供額外的催化位點降低過電勢[14].將FeOOH沉積于Fe2O3表面能加速水氧化動力學并增強電極穩定性,FeOOH層降低了電極-電解質界面間電阻,促進電荷轉移,增強光電流并且降低水氧化起始電位和反應勢壘.相同光照條件下,FeOOH-Fe2O3光陽極產生的氧氣量是裸Fe2O3的1.6倍[15].

　　鈷磷化合物CoPi是一種常見的析氧催化劑,可有效收集和存儲來自陽極的光生空穴并抑制電子-空穴復合來促進析氧反應.通常在光電極上負載CoPi模擬光合系統Ⅱ中的反應中心.Nam等人[16]使用CoPi-Fe2O3光電陽極吸收太陽能以催化水氧化,與甲酸脫氫酶生物陰極耦合,實現光驅動CO2到甲酸的生物轉化.由于陰陽兩電極分別在雙室中催化氧化和還原半反應,單獨優化一室的反應條件不會對另一室造成影響:將OH·/OH–氧化還原對引入陽極室堿性溶液中,能促進光激發空穴在Fe2O3中傳輸,從而加速空穴清除。

　　此外,提高陽極室的pH將所需外加偏壓降低了0.36V.釩酸鉍(BiVO4)是一種在水性介質中穩定的n型半導體,其直接帶隙約為2.4eV,導帶接近0Vvs.RHE(可逆氫電極),在熱力學上利于水氧化半反應[17].利用光輔助電化學沉積法將FeOOH負載于BiVO4光陽極上,光電流密度(0.87mA/cm2)比裸BiVO4的高5.11倍,并將水氧化起始電位降低了約210mV[18].類似地,TiCoBiVO4光電陽極也被應用于構建PBEC,在光照和低偏壓下驅動水分解并實現氫化酶催化H2形成[19].

　　1.3生物光電極除了無機半導體,來自自然界中的光合復合物,如光系統也可以被負載到電極基底上起光電極的作用.光系統Ⅱ(PSⅡ)是自然光合作用中的一種反應中心蛋白,內部葉綠素等發色團吸收太陽能并驅動水氧化以提供激發電子并產生氧化性空穴,氧化性空穴由含Mn4Ca簇的放氧復合物淬滅,同時產生氧氣;激發電子通過電子傳輸鏈被儲存于煙酰胺輔因子NADPH中,NADPH被用于卡爾文循環中生產糖或其他有機化合物.

　　鑒于這些特征,研究者把PSⅡ視為一種生物光電材料,將其從自然光合生物中提取出來構成PBEC的光吸收電極.早期研究將從藍細菌中提取的PSⅡ復合物沉積到苯醌改性的金電極上,制備PSⅡ功能化的光陽極[20].PSⅡ從水氧化中提取電子,苯醌的醌結構模擬光合作用中的電子傳輸鏈,促進光電子轉移到金電極.

　　2酶-光電化學電池復合系統

　　氧化還原酶是構建PBEC最常用的一類生物催化劑,通常由絕緣蛋白質和氧化還原輔因子組成.蛋白質結構是底物的識別元件,賦予酶選擇性和特異性,大多數酶的活性位點深埋在絕緣蛋白質的內部.有些酶的內部具有輔因子構成的電子傳遞系統,能夠與電極表面建立直接電連接從而實現電子轉移,電子轉移后,氧化還原力存儲到這些輔因子中以驅動活性中心上底物轉化[27];有些則缺少輔因子或距離電極表面過遠而無法建立電子通訊,需要外源添加輔因子或電子介體以耦合電極和酶,輔助完成電極向生物催化劑的電子轉移過程[28].

　　當前應用于PBEC的氧化還原酶主要包括:內部具有金屬電子傳遞系統(如鐵硫簇)的氧化還原酶、輔因子深埋于蛋白內部(如血紅素)的氧化還原酶,以及依賴于外部非金屬輔因子(如FMN、NADH)的氧化還原酶.由于輔因子的差異,這些酶在PBEC中的電子傳遞機制互不相同,以下將依據輔因子的分類對相關復合體系進行介紹.

　　3微生物-光電化學電池復合系統

　　微生物也可充當PBEC中的生物催化劑,有些微生物具有提供或接受外界電子的能力,與PEC進行耦合可實現光驅動的全細胞催化.相比于分離的酶,微生物展現出許多獨特的優勢:(1)避免酶的純化操作可節約成本;(2)細胞具有自我修復能力可增強系統穩定性;(3)細胞自身強大復雜的代謝網絡以及代謝可塑性使其有望生產附加值更高的化學品.

　　4總結與展望

　　生物光電化學電池復合系統是光電化學電池和生物催化領域的跨學科研究,有效結合二者優勢,為太陽能驅動綠色可持續的生物轉化提供了機會.PBEC具有靈活性和多樣性,可以耦合不同類型的太陽能捕獲設備(半導體光電極、生物光電極或光伏電池)及不同的生物催化劑(酶和微生物).

　　由于機理相對簡單,分離的酶是在PBEC基礎研究中最基本、常用的生物催化劑,在基于氧化還原酶的PBEC研究中實現了多種有意義的生物轉化(如碳固定、產氫、手性合成),同時還明確了電子在電極與酶活性中心之間的傳遞機制.微生物細胞作為應用于PBEC的新一代生物催化劑,具有獨特的代謝可塑性,雖然其電子傳遞機制尚未被完全闡明,但已具備催化生物固碳、固氮及合成復雜產物的可行性和發展前景.PBEC是一項尚處于發展初期的新技術,在能夠實現大規模產業化應用之前,仍需通過強化以下要素來提升系統整體效率和生產價值.

　　(1)開發經濟、高效的半導體材料來制造生物相容性光電極,并通過異質結構等改造提供有效的電荷分離和遷移,從而增強電流產生,提高太陽能的轉化效率,并實現無偏壓的氧化還原生物催化.(2)通過蛋白質工程方法直接改善酶的催化性能.例如:利用表面修飾、定向修飾、氨基酸取代等合理設計,改善酶與電極之間的電化學連通性并最小化界面電子隧穿勢壘以提高直接電子轉移效率.通過定向進化對酶進行改造,改善酶對人工輔因子的親和力以替代成本高昂的天然輔因子,改善酶對非天然底物的親和力使其生產新產品,改善酶的穩定性和魯棒性.

　　(3)充分發揮微生物的可塑性,通過合成生物學等方法設計催化范圍更廣、催化性能更強的新型生物催化劑,甚至可以在光電極和非電活性微生物之間建立有效的電化學通訊,這依賴于微生物基因操作工具箱的進一步開發.(4)技術參數優化,包括確定最佳的電解質、培養基組成和反應器設計,改善生物-電極界面以提供增強生物電催化附著力和快速電子傳輸速率.總之,PBEC的未來發展依賴于酶工程、代謝工程、光電化學和材料科學等多學科領域的合作.

　　參考文獻

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　　作者：楊楠1,2,田瑤1,2,張勱1,2,郭之旗1,2,宋浩1,