最新《自然·通讯》：三维导电凝胶+蓝藻！助力光合微生物发电效率提升

生物光伏（BPV）技术利用光合微生物（如蓝藻）将太阳能转化为电能，被视为绿色可持续能源的新方向。然而，微生物与电极界面的电子传递效率低下，严重制约了太阳能至电能的整体转化率（通常低于1%）。这一瓶颈源于缺乏高效的跨界面电子传递路径——无论是通过微生物纳米线的直接传递，还是依赖氧化还原介体的间接传递，均面临动力学障碍。

新加坡国立大学与南洋理工大学团队开发了一种三维导电共轭聚电解质凝胶（PEDOT-S），将其与光合蓝藻聚球藻7942（S. elongatus）复合，形成半透明的活体生物复合材料。该材料通过构建混合离子-电子导电网络，显著提升界面电子转移效率。实验表明，其光电流输出比裸藻高20倍以上，单细胞水平的光电流达-0.2纳安培，效率提升10倍。这一成果为生物光伏器件性能优化提供了新思路。

材料设计与特性

研究采用自掺杂共轭聚电解质PEDOT-S（图1b），其分子结构含磺酸基负电荷链与p型掺杂共轭骨架，可在BG11培养基中自组装成三维凝胶网络（图1a）。这种凝胶兼具光学透明性与机械稳定性：在400–700 nm光合关键波段透光率超80%（图2c），且流变学测试显示弹性模量（G'）始终高于损耗模量（G''），证实凝胶态结构（图2d）。电化学测试表明，PEDOT-S具有低氧化电位（-0.24 V）和伪电容特性（图2b），可作为高效电子受体。

图 1.聚球藻/PEDOT-S 生物复合材料形成三维导电基质实现高效电子传递

图 2.不同浓度 PEDOT-S 的光学与机械性能

生物相容性与复合结构

PEDOT-S在≤2 mg/mL浓度下对蓝藻无毒（菌落数增长未受抑制），而5 mg/mL时因透光率下降导致活性降低51%。扫描电镜（SEM）显示，裸藻在电极表面分布不均且易聚集成簇（图3a-b），而PEDOT-S复合物中细胞被均匀包埋于多孔聚合物框架内（图3c-e）。共聚焦显微镜（CLSM）进一步证实，复合物中蓝藻沿垂直方向扩散至30 μm（裸藻仅10 μm），形成三维电荷传递通道（图3f-g）。

图 3.聚球藻及其 PEDOT-S 生物复合材料的微观结构

光电流性能突破

在无外源介体条件下，5 mg/mL PEDOT-S复合物光电流密度达0.091 μA/cm²，较裸藻提升20倍（图4a,c）。电化学阻抗谱（EIS）显示，PEDOT-S显著降低电荷转移电阻（RCT），且5 mg/mL复合物的电化学活性表面积（ESA）为裸电极的3.8倍（图4d-e）。添加铁氰化钾介体后，2 mg/mL PEDOT-S复合物性能最优（0.83 μA/cm²），但5 mg/mL时因凝胶过厚阻碍介体扩散导致性能下降（图4f-g）。此外，光合抑制剂DCMU使光电流消失，证实电流源自光合作用（图4f）。

图 4.PEDOT-S/聚球藻生物复合材料的光电流生成与电化学特性

单细胞级电子传递验证

通过微流控单细胞光电流映射技术（图5a），团队直接观测到PEDOT-S复合物的微观电子传递增强：含15个细胞的复合物区域光电流为2.13 nA，而相同数量裸藻仅0.28 nA（图5f）。归一化分析显示，复合物中单细胞平均输出0.18 nA，是裸藻的10倍（图5h），且光电流与细胞数量呈线性关系（图5g），证明凝胶网络实现了细胞与电极的高效"连线"。

图 5.聚球藻及其 PEDOT-S 生物复合材料的多模态成像与光电流映射

应用前景

该研究首创的"活体生物复合材料"策略，通过三维导电凝胶桥接微生物与电极，突破了生物光伏的界面传输瓶颈。其单细胞光电流提升10倍、无介体光电流增强20倍的突破，为开发高效稳定的生物能源器件奠定基础。未来，结合多孔电极架构与可规模化生产的PEDOT-S凝胶，有望推动生物光伏技术向实际应用迈进。

来源：高分子科学前沿

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