利用近红外光助力共轭聚合物纳米片-大肠杆菌杂化系统实现高效太阳能产氢

第一作者：周洁

通讯作者：徐航勋*

单位：中国科学技术大学

将太阳能高效转化为清洁氢燃料，为可持续能源的发展开辟了一条前景广阔的路径。然而，目前的半人工光合体系在利用全太阳光谱，尤其是近红外（NIR）区域，仍未得到充分探索。本研究设计并制备了一种具有良好生物相容性的低带隙共轭聚合物纳米片（PyTT-tBAL-HAB），并将其与未经基因编辑的非光合细菌——大肠杆菌（E. coli）结合，显著提升了太阳能驱动的生物产氢效率。该材料不仅展现出优异的近红外光吸收特性，其与大肠杆菌的整合促进了高效电子转移，使得在近红外光照射下的产氢速率提升约1.96倍。值得注意的是，该杂化系统在940 nm波长处实现了18.36%的量子效率，表现出强大的光能转化潜力。本研究成果充分证明了低带隙共轭聚合物纳米片作为先进光敏剂在构建高效半人工光合体系中具有广阔应用前景，也为更全面、高效地利用太阳光谱提供了有力支撑。

基于此，中国科学技术大学徐航勋教授团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Harnessing Near-Infrared Light for Enhanced Solar Hydrogen Production from Escherichia coli Interfaced with Biocompatible Low-Bandgap Conjugated Polymer Nanosheets.”的实验文章。该研究设计并制备了一种新型低带隙共轭聚合物纳米片（PyTT-tBAL-HAB），与未经基因编辑的非光合细菌——大肠杆菌（E. coli）协同构建高效NIR响应的半人工光合系统，显著提升了氢气产量和量子效率，展示了其在可持续能源领域的应用潜力。

图1. 聚乙烯亚胺修饰的E. coli与PyTT-tBAL-HAB纳米片构建的生物杂合体在太阳光照射下生物氢产量增强的机制示意图。

本文通过设计吩嗪基共轭聚合物纳米片，展现出优异的近红外光吸收与电子迁移性能，为提升半人工光合系统的光能利用效率提供了关键材料支撑。

要点二：半人工光合系统产氢性能大幅提升，量子效率高达18.36%

本工作通过将低带隙聚合物纳米片与大肠杆菌协同构建半人工光合系统，在940 nm波长处实现18.36%的量子效率，显著提升了产氢速率和系统稳定性，性能超越传统体系。本研究强调了生物相容性好、低带隙共轭聚合物作为高效光敏剂的潜力，并为未来构建高效稳定的半人工光合系统奠定基础。

要点三：多维解析揭示聚合物-细菌间的电子转移与基因调控机制

本研究通过对电荷转移过程和基因表达的系统研究，揭示了聚合物纳米片与大肠杆菌之间高效的电子传输机制，显著促进了菌体内糖酵解过程和甲酸生成，进而通过甲酸途径和丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR）途径强化产氢。

Harnessing Near-Infrared Light for Enhanced Solar Hydrogen Production from Escherichia coli Interfaced with Biocompatible Low-Bandgap Conjugated Polymer Nanosheets.

徐航勋教授简介：2006年毕业于中国科学技术大学获学士学位，2011年毕业于美国伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)化学系，获得材料化学专业博士学位，导师为Kenneth S. Suslick教授。博士毕业后在伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系从事博士后研究，师从美国工程院/科学院院士John A. Rogers教授从事柔性电子技术方面研究。现任中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，化学与材料科学学院副院长，高分子科学与工程系执行主任，主要从事功能高分子材料的设计、合成及其在光催化能量转化和柔性电子技术方面应用研究。目前已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Phys. Rev. Lett., Chem. Soc. Rev.等期刊杂志上发表90多篇学术论文，其中多篇学术论文入选ESI “Highly Cited Papers”。此外，还有多项研究成果被国内外新闻媒体（包括Science网站和新华社）报道。2018年获中国化学会青年化学奖。2022年获国家自然科学基金委杰出青年基金资助。

课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~hxu/index.html