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(yōu)勢(shì)著稱,其催化目標(biāo)氧化還原反應(yīng)時(shí)需消耗氧化還原力.光電化學(xué)電池可利用清潔、可持續(xù)的光能和電能從水中提取電子并轉(zhuǎn)化為生物催化劑可用的還原力.生物光電化學(xué)電池復(fù)合系統(tǒng)將生物催化和光電化學(xué)電池的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合,利用光電化學(xué)電池為生物催化提供還原力,可實(shí)現(xiàn)光電驅(qū)動(dòng)的綠色、可持續(xù)的生物催化轉(zhuǎn)化過程.本文基于構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)的功能組件,首先介紹復(fù)合系統(tǒng)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(fā),分別綜述了近年來的研究進(jìn)展,最后展望了該研究領(lǐng)域的未來發(fā)展.

　　關(guān)鍵詞生物催化,光電化學(xué)電池,酶,微生物,光電極

　　近年來,生物催化已逐漸成為公認(rèn)的合成化學(xué)品的綠色工具.生物催化活性高、選擇性高、反應(yīng)條件溫和、催化功能多樣,特別是過去20年中,生物技術(shù)(如定向進(jìn)化、基因工程)取得了令人矚目的進(jìn)步,為替代傳統(tǒng)化學(xué)合成提供了實(shí)用且環(huán)境友好的可行方向[1].生物催化氧化還原反應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義.氧化還原酶需要消耗當(dāng)量的氧化還原力(如電子、輔因子)驅(qū)動(dòng)底物轉(zhuǎn)化,如何高效、經(jīng)濟(jì)地為酶提供氧化還原力是一個(gè)關(guān)鍵問題[2].與此同時(shí),光催化也發(fā)展為一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域,其顯示出良好的經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境相容性和可持續(xù)性.隨著能夠利用可見光作為能源的半導(dǎo)體光催化劑被深入研究開發(fā),人類有望利用清潔、豐富、可持續(xù)的太陽(yáng)能來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源[3].

　　光催化劑內(nèi)部電子受光激發(fā)后躍遷至導(dǎo)帶,價(jià)帶產(chǎn)生空穴,如果使用合適的電子供體對(duì)空穴加以淬滅,并將導(dǎo)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(xué)家和生物學(xué)家嘗試將光催化與生物催化進(jìn)行結(jié)合以構(gòu)建兼具二者優(yōu)勢(shì)的復(fù)合系統(tǒng),利用光催化過程產(chǎn)生還原力以驅(qū)動(dòng)酶的催化還原反應(yīng).微生物可視為“一袋酶”,也被廣泛應(yīng)用于復(fù)合系統(tǒng)研究,其相對(duì)酶的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、代謝可塑性強(qiáng).但需要持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)和能量供應(yīng),且產(chǎn)物缺乏特異性.目前,光-生物催化復(fù)合系統(tǒng)的常見模式之一是一鍋反應(yīng)模式:半導(dǎo)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(gè)反應(yīng)器.

　　由于光催化劑內(nèi)部電子-空穴快速?gòu)?fù)合,一鍋反應(yīng)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(duì)導(dǎo)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(xué)復(fù)合系統(tǒng)(photobioelectrochemical,PBEC)是構(gòu)建復(fù)合系統(tǒng)的另一種模式,核心功能組件包括光電極構(gòu)成的光電化學(xué)(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(yáng)極進(jìn)行水分解并在(光)陰極處產(chǎn)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(yīng).相比于一鍋反應(yīng),PBEC具有許多優(yōu)勢(shì):首先,由于可以通過施加外部偏壓調(diào)節(jié)電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),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(chǎn)物積累或其他副反應(yīng)[4].

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

　　1光電極的研究進(jìn)展PBEC的設(shè)計(jì)邏輯是使用光電極構(gòu)成的PEC將光電化學(xué)水氧化與生物催化還原進(jìn)行結(jié)合.光電極吸收光能并轉(zhuǎn)化為還原力,通過直接或間接的界面轉(zhuǎn)移輸入到生物催化模塊以驅(qū)動(dòng)還原反應(yīng).電極不僅為生物催化劑提供了載體,也是發(fā)生氧化還原反應(yīng)的平臺(tái),其理化性質(zhì)至關(guān)重要.選擇電極材料時(shí)應(yīng)注重其光能吸收和轉(zhuǎn)化效率、生物相容性和穩(wěn)定性,這是提升PBEC整體性能的基礎(chǔ).

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

　　1.1無機(jī)半導(dǎo)體光陰極

　　在當(dāng)前開發(fā)的PBEC系統(tǒng)中,半導(dǎo)體是制造光電極應(yīng)用最廣泛的材料.p型InP是首個(gè)被應(yīng)用于PBEC的光陰極材料,其具有可見光吸收帶隙,導(dǎo)帶能級(jí)高于電子介體甲基紫精的還原電勢(shì),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(dǎo)甲酸脫氫酶還原CO2[7].由于大多數(shù)光電極產(chǎn)生的光電壓通常不足以驅(qū)動(dòng)水氧化和生物催化還原反應(yīng),施加外部電壓是為了調(diào)節(jié)電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí).只有當(dāng)光電陰極的導(dǎo)帶邊緣電勢(shì)比反應(yīng)的還原電勢(shì)更低時(shí),才可能發(fā)生目標(biāo)反應(yīng)[8].p型半導(dǎo)體比n型半導(dǎo)體更適于驅(qū)動(dòng)陰極的還原反應(yīng).

　　其費(fèi)米能級(jí)較低,在電解液中形成能帶下彎,導(dǎo)帶中光生電子被掃向半導(dǎo)體-電解質(zhì)界面,而光生空穴則沿相反方向移動(dòng).硅基半導(dǎo)體性質(zhì)穩(wěn)定、地表含量豐富,其帶隙約1.1eV,導(dǎo)帶邊緣位置約為–0.6Vvs.SHE(標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)而具有可見光吸收特性,其與電解質(zhì)之間的界面處出現(xiàn)能帶彎曲,因此在電極向生物催化劑轉(zhuǎn)移電子的過程中顯示出電極電勢(shì)漂移和較低能壘[9].通過化學(xué)沉積將鉑負(fù)載到硅納米線上,鉑進(jìn)一步促進(jìn)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(wěn)定性較差,形成絕緣的SiO2層會(huì)影響光電流響應(yīng),限制了PBEC的總體效率.將非晶態(tài)TiO2薄膜負(fù)載到p型硅陰極上能夠防止SiO2層的形成,同時(shí)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(dǎo)體的光吸收范圍仍然有限,使用有機(jī)染料對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行敏化可使光電極獲得更強(qiáng)的可見光吸收性能.在染料敏化的復(fù)合光電極上,染料捕獲可見光后被激發(fā)到激發(fā)態(tài),將光生電子注入半導(dǎo)體導(dǎo)帶中,激發(fā)態(tài)染料分子通過水氧化被快速淬滅.例如,將有機(jī)染料分子P1負(fù)載到p型NiO上構(gòu)成染料敏化光電陰極[11],可以提升電極的光電響應(yīng),彌補(bǔ)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(zhǎng)期效用.

　　1.2無機(jī)半導(dǎo)體光陽(yáng)極

　　為了進(jìn)一步提高光能利用效率和光電流密度以促進(jìn)陰極室中的生物催化反應(yīng),研究者將n型半導(dǎo)體光電陽(yáng)極引入PBEC.半導(dǎo)體TiO2光電陽(yáng)極被應(yīng)用于PBEC驅(qū)動(dòng)生物產(chǎn)氫的初期嘗試中[12],但由于帶隙較大,其對(duì)可見光吸收的性能十分有限.鐵基光陽(yáng)極(如Fe2O3)成本低、穩(wěn)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(kuò)散長(zhǎng)度短、載流子壽命短、內(nèi)部的光生電荷分離效率低下,限制了水氧化動(dòng)力學(xué).

　　在半導(dǎo)體光電極上引入助催化劑(如CoPi、FeOOH、TiCo)有助于將半導(dǎo)體內(nèi)部光生電荷載流子提取到表面,從而促進(jìn)電荷分離并提供額外的催化位點(diǎn)降低過電勢(shì)[14].將FeOOH沉積于Fe2O3表面能加速水氧化動(dòng)力學(xué)并增強(qiáng)電極穩(wěn)定性,FeOOH層降低了電極-電解質(zhì)界面間電阻,促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移,增強(qiáng)光電流并且降低水氧化起始電位和反應(yīng)勢(shì)壘.相同光照條件下,FeOOH-Fe2O3光陽(yáng)極產(chǎn)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(chǔ)來自陽(yáng)極的光生空穴并抑制電子-空穴復(fù)合來促進(jìn)析氧反應(yīng).通常在光電極上負(fù)載CoPi模擬光合系統(tǒng)Ⅱ中的反應(yīng)中心.Nam等人[16]使用CoPi-Fe2O3光電陽(yáng)極吸收太陽(yáng)能以催化水氧化,與甲酸脫氫酶生物陰極耦合,實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)CO2到甲酸的生物轉(zhuǎn)化.由于陰陽(yáng)兩電極分別在雙室中催化氧化和還原半反應(yīng),單獨(dú)優(yōu)化一室的反應(yīng)條件不會(huì)對(duì)另一室造成影響:將OH·/OH–氧化還原對(duì)引入陽(yáng)極室堿性溶液中,能促進(jìn)光激發(fā)空穴在Fe2O3中傳輸,從而加速空穴清除。

　　此外,提高陽(yáng)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(zhì)中穩(wěn)定的n型半導(dǎo)體,其直接帶隙約為2.4eV,導(dǎo)帶接近0Vvs.RHE(可逆氫電極),在熱力學(xué)上利于水氧化半反應(yīng)[17].利用光輔助電化學(xué)沉積法將FeOOH負(fù)載于BiVO4光陽(yáng)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(yáng)極也被應(yīng)用于構(gòu)建PBEC,在光照和低偏壓下驅(qū)動(dòng)水分解并實(shí)現(xiàn)氫化酶催化H2形成[19].

　　1.3生物光電極除了無機(jī)半導(dǎo)體,來自自然界中的光合復(fù)合物,如光系統(tǒng)也可以被負(fù)載到電極基底上起光電極的作用.光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)是自然光合作用中的一種反應(yīng)中心蛋白,內(nèi)部葉綠素等發(fā)色團(tuán)吸收太陽(yáng)能并驅(qū)動(dòng)水氧化以提供激發(fā)電子并產(chǎn)生氧化性空穴,氧化性空穴由含Mn4Ca簇的放氧復(fù)合物淬滅,同時(shí)產(chǎn)生氧氣;激發(fā)電子通過電子傳輸鏈被儲(chǔ)存于煙酰胺輔因子NADPH中,NADPH被用于卡爾文循環(huán)中生產(chǎn)糖或其他有機(jī)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(gòu)成PBEC的光吸收電極.早期研究將從藍(lán)細(xì)菌中提取的PSⅡ復(fù)合物沉積到苯醌改性的金電極上,制備PSⅡ功能化的光陽(yáng)極[20].PSⅡ從水氧化中提取電子,苯醌的醌結(jié)構(gòu)模擬光合作用中的電子傳輸鏈,促進(jìn)光電子轉(zhuǎn)移到金電極.

　　2酶-光電化學(xué)電池復(fù)合系統(tǒng)

　　氧化還原酶是構(gòu)建PBEC最常用的一類生物催化劑,通常由絕緣蛋白質(zhì)和氧化還原輔因子組成.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是底物的識(shí)別元件,賦予酶選擇性和特異性,大多數(shù)酶的活性位點(diǎn)深埋在絕緣蛋白質(zhì)的內(nèi)部.有些酶的內(nèi)部具有輔因子構(gòu)成的電子傳遞系統(tǒng),能夠與電極表面建立直接電連接從而實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移,電子轉(zhuǎn)移后,氧化還原力存儲(chǔ)到這些輔因子中以驅(qū)動(dòng)活性中心上底物轉(zhuǎn)化[27];有些則缺少輔因子或距離電極表面過遠(yuǎn)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(zhuǎn)移過程[28].

　　當(dāng)前應(yīng)用于PBEC的氧化還原酶主要包括:內(nèi)部具有金屬電子傳遞系統(tǒng)(如鐵硫簇)的氧化還原酶、輔因子深埋于蛋白內(nèi)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(jī)制互不相同,以下將依據(jù)輔因子的分類對(duì)相關(guān)復(fù)合體系進(jìn)行介紹.

　　3微生物-光電化學(xué)電池復(fù)合系統(tǒng)

　　微生物也可充當(dāng)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(jìn)行耦合可實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)的全細(xì)胞催化.相比于分離的酶,微生物展現(xiàn)出許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):(1)避免酶的純化操作可節(jié)約成本;(2)細(xì)胞具有自我修復(fù)能力可增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性;(3)細(xì)胞自身強(qiáng)大復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)以及代謝可塑性使其有望生產(chǎn)附加值更高的化學(xué)品.

　　4總結(jié)與展望

　　生物光電化學(xué)電池復(fù)合系統(tǒng)是光電化學(xué)電池和生物催化領(lǐng)域的跨學(xué)科研究,有效結(jié)合二者優(yōu)勢(shì),為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)綠色可持續(xù)的生物轉(zhuǎn)化提供了機(jī)會(huì).PBEC具有靈活性和多樣性,可以耦合不同類型的太陽(yáng)能捕獲設(shè)備(半導(dǎo)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(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單,分離的酶是在PBEC基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)了多種有意義的生物轉(zhuǎn)化(如碳固定、產(chǎn)氫、手性合成),同時(shí)還明確了電子在電極與酶活性中心之間的傳遞機(jī)制.微生物細(xì)胞作為應(yīng)用于PBEC的新一代生物催化劑,具有獨(dú)特的代謝可塑性,雖然其電子傳遞機(jī)制尚未被完全闡明,但已具備催化生物固碳、固氮及合成復(fù)雜產(chǎn)物的可行性和發(fā)展前景.PBEC是一項(xiàng)尚處于發(fā)展初期的新技術(shù),在能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之前,仍需通過強(qiáng)化以下要素來提升系統(tǒng)整體效率和生產(chǎn)價(jià)值.

　　(1)開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的半導(dǎo)體材料來制造生物相容性光電極,并通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)等改造提供有效的電荷分離和遷移,從而增強(qiáng)電流產(chǎn)生,提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率,并實(shí)現(xiàn)無偏壓的氧化還原生物催化.(2)通過蛋白質(zhì)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(shè)計(jì),改善酶與電極之間的電化學(xué)連通性并最小化界面電子隧穿勢(shì)壘以提高直接電子轉(zhuǎn)移效率.通過定向進(jìn)化對(duì)酶進(jìn)行改造,改善酶對(duì)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(duì)非天然底物的親和力使其生產(chǎn)新產(chǎn)品,改善酶的穩(wěn)定性和魯棒性.

　　(3)充分發(fā)揮微生物的可塑性,通過合成生物學(xué)等方法設(shè)計(jì)催化范圍更廣、催化性能更強(qiáng)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(xué)通訊,這依賴于微生物基因操作工具箱的進(jìn)一步開發(fā).(4)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化,包括確定最佳的電解質(zhì)、培養(yǎng)基組成和反應(yīng)器設(shè)計(jì),改善生物-電極界面以提供增強(qiáng)生物電催化附著力和快速電子傳輸速率.總之,PBEC的未來發(fā)展依賴于酶工程、代謝工程、光電化學(xué)和材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的合作.

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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,