“Nature Materials∣3D打印分层柱阵电极，用于高性能半人工光合”
文献信息：
Xiaolong Chen, Joshua M. Lawrence, Laura T. Wey, Lukas Schertel, Qingshen Jing, Silvia Vignolini, Christopher J. Howe, Sohini Kar-Narayan, and Jenny Z. Zhang.
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01205-5
Nature materials 影响因子：34.0
背景介绍
将光合生物与电极进行重构，可实现可持续的半人工生物发电和燃料生产。目前，电极与生物材料界面的设计如何满足高生物光电化学性能的复杂要求尚不清楚。
在这项研究中，作者采用了气溶胶喷墨印刷方法，利用氧化铟锡纳米颗粒生成了分层电极结构，并研究了在生物-电极界面上的能量/电子传递过程。
研究表明，具有微触角阵列电极展现出良好的生物催化剂（Synechocystis sp. PCC 6803）装载性能和光电通量输出，光电流提高了几乎一倍，超越了相同高度的最先进多孔结构。当微柱的高度增加到600 µm时，可以达到与理论预测最接近的里程碑光电流密度245μA cm–2以及高达29%的外量子效率。这项研究演示了未来如何更有效地利用光合生物能源，并为三维电极设计提供了新工具。
图文解读
图1 用于生物光电化学的新生代电极
a，生物光电化学池的示意图，使用光合生物膜作为光催化剂进行生物太阳能发电。在阳极收集光合作用氧化水产生的电子通量，并传递到阴极，将氧还原为H2O。插图：用从ITO纳米颗粒印刷的带有蓝藻的微柱电极的彩色SEM图像。比例尺，10微米。
b，蓝藻-阳极界面示意图。光被光系统II（PSII）收集，用于氧化水，产生电子、O2和H+。电子通过光合电子传递链传递到光系统I（PSI），后者将吸收的光能输送到电子中。电子可以在细胞中的多种还原途径中使用，包括用于CO2固定的Calvin–Benson循环。光合作用产生的一些电子经历细胞外电子传递，可以通过外源电子中介物（如DCBQ）增强，将电子传递到电极。
c，用于光电流输出的电极的迭代。
d，本研究中展示的气溶胶喷墨印刷的微柱形ITO电极库。
e，印刷的微柱阵列电极的SEM图像（顶视图）。
f，不同高度的印刷微柱阵列电极（直径20微米，间距100微米）的SEM图像（侧视图）。
图2 微柱阵列电极的气溶胶喷墨
a，印刷过程的示意图。ITO纳米颗粒在甲醇/水墨前体中被放置在超声雾化器中，被气溶胶化，被氮载气流卷入，并通过同轴氮包套气流的气动聚焦。微柱ITO结构被印刷在涂有FTO的玻璃上。
b，用于制备微柱的印刷参数。气体聚焦压力比被确定为调整柱形的关键控制参数。插图：具有底座的典型印刷柱的SEM图像。
c，用于产生亚微米粗糙度的印刷参数。确定了气体聚焦压力比和墨水MeOH含量之间的最佳操作窗口，以形成微液滴分支。
d，具有高度为600微米和直径为20微米的典型光滑微柱ITO（SP-ITO）电极的SEM图像。在更高放大倍数下获得的图像显示了由纳米颗粒的堆积形成的纳米特征。SP-ITO是使用聚焦压力比为2.5和MeOH体积分数为60%制备的。
e，高度为600微米，直径为20微米的典型分枝微柱ITO（BP-ITO）电极的SEM图像。在更高放大倍数下获得的图像显示了由亚微米液滴组成的微柱。液滴特征的进一步放大显示了纳米颗粒的纳米特征。BP-ITO是使用气体聚焦压力比为2.5和MeOH体积分数为70%制备的。误差棒表示均值的标准误差（n = 3）。
a，裸电极与光互动的示意图。
b，带有固定细胞的电极与光互动的示意图。
c，电极在空气中的光透射和反射研究。
d，孵育有细胞的电极的光透射和反射研究。使用0°垂直入射的白光（1 mW cm−2）进行了光透射和反射研究。IO-ITO电极的高度为50微米，SP-ITO和BP-ITO电极的高度范围从50微米到800微米。将Synechocystis细胞的浓缩悬浮液（在BG11培养基中为150 nmol（Chl a）ml−1）与电极一起孵育12小时，在测量之前用新鲜培养基轻轻洗涤电极。
e，通过电容测量确定的平坦、IO-ITO、SP-ITO和BP-ITO电极的EASA。插图：50 µm高度的平坦、IO-ITO、SP-ITO和BP-ITO电极的EASA的放大比较。
f，经过与Synechocystis孵育并轻轻洗涤12小时后，电极上的EASA归一化的Chl a负载。
g，代表性的共聚焦显微镜图像，显示穿过Synechocystis加载电极的中间部分的横截面。刻度尺，20 µm。
h，Synechocystis加载电极的代表性彩色SEM图像（俯视图）。误差棒表示均值的标准误差（n = 3）。
a，来自存在和不存在外源电子穿梭剂DCBQ（1 mM）的Synechocystis加载BP-ITO电极的代表性光电流曲线。
b，相当厚度（50 µm）下不同电极结构的Synechocystis加载电极在红光（680 nm，1 mW cm−2）下的调控和非调控光电化学性能总结。
c，Synechocystis加载的SP-ITO和BP-ITO电极在没有外源电子穿梭剂的情况下，总结了具有不同柱高的非调控光电化学性能，使用红光（680 nm，1 mW cm−2）。
d，不同强度的白光条件下优化的Synechocystis加载BP-ITO电极（600 µm柱高）的光电化学性能。电流计时实验在25 °C下在对SHE的0.3 V和0.5 V的应用电位下分别在不存在和存在DCBQ的情况下进行，使用BG11（pH 8.5）。误差棒表示均值的标准误差（n = 3）。
a，IO-ITO、SP-ITO和BP-ITO电极结构（50 µm高度）之间的雷达图比较。JDCBQ，DCBQ介导的光电流密度; MCell loading，从叶绿素a含量推断的细胞负载。
b，微柱电极及其性质的Spearman秩相关矩阵。刻度条表示相关系数（R）的强度和符号，蓝色表示正相关系数，红色表示负相关系数。星号表示显著性，其中∗P≤ 0.1；∗∗P≤ 0.05和∗∗∗P≤ 0.01。
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