“ACS Appl. Mater. Interfaces∣Self-Powered Biohybird Systems Based on Organic Materials for Sustainable Biosynthesis”
文献信息：
Weijian Chen, Wen Yu, Zenghao Wang, Zhiqiang Gao, Miaomiao Zhang, Chuanwei Zhu, Fengting Lv, Yiming Huang, Haotian Bai, and Shu Wang.
https://doi.org/10.1021/acsami.3c12400
出版时间: 24 April 2024
ACS Applied Materials & Interfaces影响因子：9.5
背景介绍
可持续能源转化和高效生物合成对于增值化学品已引起广泛关注，但大多数生物合成系统无法在没有外部电源的情况下独立工作。
在这项工作中，作者通过将电活性微生物（希瓦氏菌-S. oneidensis）、有机材料（poly[3-(3′-N,N,N-三乙基氨基-1′-丙氧基)-4-甲基-2,5-噻吩氯化物]，(PMNT）与电化学装置集成，成功地设计并构建了一种利用生物废弃物作为唯一能源的自供电生物混合系统。在没有任何外部电源供应的情况下，这种自供电生物混合系统可以为有效的光合调控和持续化学生产生成提供能量。
这项工作为未来将全面可再生能源生产与化学制造结合起来，而无需外部电源提供了一种新策略。
图文解读
用于光合调控和微生物电合成
生物驱动的自供电系统通过将储能型超级电容器与能量转换型微生物燃料电池(MFCs)结合而开发。当自供电系统开关处于打开状态时，可以促进光合调控以进行生物质转化。当自供电系统开关处于关闭状态时，可以进行二氧化碳固定的微生物电合成。
(a) S. oneidensis/PMNT 生物膜的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像。底部和右侧面板分别为生物膜中选定位置的 x-z 和 y-z 横截面图像。比例尺代表 20 微米。
(b) S. oneidensis/PMNT 生物膜的扫描电子显微镜(SEM)观察图。比例尺为 2 微米。
(c) 与 PMNT 孵育前后 S. oneidensis 的 Zeta 电位。
(d) S. oneidensis 和 S. oneidensis/PMNT 阳极生物膜产生的电流曲线。
(e) S. oneidensis 和 S. oneidensis/PMNT 阳极生物膜的极化曲线(实线)和功率密度曲线(虚线)。
图3. 自供电系统中
全固态超级电容器(SCs)器件的表征
(a) 柔性全固态超级电容器的示意图。插图显示了一个全固态超级电容器的照片。
(b) MnO2基电极的Mn 2p的X射线光电子能谱(XPS)谱图。
(c) 在0.0至0.8 V的操作电压范围内，以20−500 mV/s的扫描速率测量的MnO2基超级电容器的循环伏安(CV)曲线。
(d) 随着电流密度增加的MnO2基超级电容器的电容保持率。
(e) 不同弯曲角度下超级电容器的CV曲线和机械稳定性。所制备的MnO2基超级电容器的光学图像处于不同弯曲状态下。
(a) 集成自供电系统的示意图和照片。
(b) 当连接不同MFC系统时，输出电压与应用MFC的关系。
(c) 系列连接的MFC充电SC时的电压曲线，当电压增加至0.6 V时。
(d) 使用100 μA、500 μA和1000 μA的应用电流分别进行放电的放电曲线。
(e) 由三个串联的SC装置充电的电子计时器的照片。
(f) 使用五个串联的SC装置点亮白/紫/橙/蓝LED的照片。
图5. 用于增强光合作用的
自供电系统的构建和表征
(a) 自供电系统的示意图，用LED作为唯一的光源来增强自然光合作用。
(b) 在5分钟内，叶绿体在存在和不存在自供电白光LED的情况下DCPIP在600 nm处的吸收变化。
(c) 叶绿体在黑暗和光照条件下NADPH/NADP+比值和ATP产量。
(d) 类囊体电极的光电流响应。
(e) Syne在黑暗和光照条件下NADPH/NADP+比值、ATP产量和 (f) 氧释放曲线。
图6. 用于聚羟基丁酸酯（PHB）生产的
自供电系统的构建和表征
(a) 自供电系统的示意图，用于通过微生物电合成减少CO2并合成PHB。
(b) R. eutropha溶液在无NR（20 μM）和有NR情况下的CV曲线。
(c) 使用MFCs供电R. eutropha微生物电合成PHB的产量和(d) 48小时内的GC信号。
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