Laccase-Catalyzed Bioelectrochemical Oxidation of Water Assisted with Visible Light

漆酶催化的可見光輔助水的電化學氧化

來源：ACS Catal. 2017, 7, 4881?4889

 

論文摘要總結(jié)

本文報道了一種基于漆酶（laccase）和可見光輔助的生物電化學水氧化系統(tǒng)。研究通過將真菌來源的Trametes hirsuta漆酶共價固定到In?S?修飾的氟摻雜氧化錫（FTO）電極上，構(gòu)建了混合光生物陽極。In?S?是一種n型半導(dǎo)體，能吸收可見光（λ ≤ 600 nm），其價帶能級低于水氧化的標準電位。系統(tǒng)在可見光照射下，能在較低外加電位（起始電位0.8 V vs. SHE）下催化水氧化產(chǎn)生氧氣（O?），而傳統(tǒng)電化學方法需要更高過電位（≥1.2 V）。這是首次使用除光系統(tǒng)II（PSII）外的酶結(jié)合可見光實現(xiàn)生物催化產(chǎn)氧，為太陽能燃料存儲提供了新思路。

研究目的

本研究的主要目的是開發(fā)一種高效、低能耗的光生物電化學水氧化技術(shù)，具體目標包括：

 

利用In?S?半導(dǎo)體的可見光吸收特性，降低水氧化所需的電化學過電位。

驗證漆酶作為生物催化劑在光輔助下催化水氧化的可行性（漆酶天然功能是O?還原，逆反應(yīng)需高過電位）。

 

通過電極設(shè)計和酶固定化策略，提高系統(tǒng)的法拉第效率和穩(wěn)定性。

 

研究思路

研究思路遵循以下步驟：

 

材料合成與電極制備：

 

水熱法合成β-In?S?半導(dǎo)體顆粒（尺寸50 nm–μm級），表征其晶體結(jié)構(gòu)、帶隙（2.1 eV）和比表面積（40.6 m2/g）。

將In?S?懸浮液滴涂到FTO電極表面，形成多孔修飾層（圖1顯示修飾后電極表面粗糙度增加）。

 

通過電化學接枝將硝基苯重氮鹽還原為氨基苯基，進而共價固定漆酶（物理吸附無效，需共價連接以穩(wěn)定電子傳遞）。

 

系統(tǒng)表征與性能測試：

 

使用掃描電鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）表征電極形貌和晶體結(jié)構(gòu)（圖2和附圖S1顯示In?S?成功修飾，且光照后無氧化產(chǎn)物）。

 

通過循環(huán)伏安法（CV）和計時安培法測量電化學響應(yīng)，比較黑暗與光照條件（光源：150 W氙燈，過濾紫外光）。

使用丹麥Unisense氧氣微傳感器（檢測限0.04 mg/L）實時監(jiān)測O?產(chǎn)生，位置距電極1.5 mm。

 

通過ABTS氧化法測定漆酶活性，評估固定化效率和光照穩(wěn)定性。

 

機制驗證與控制實驗：

 

對比不同電極（裸FTO、FTO-In?S?、FTO-In?S?-漆酶）的性能。

排除Cu2?離子（來自漆酶降解）的干擾：用CuSO?代替漆酶時無O?產(chǎn)生（附圖S8）。

 

檢測H?O?副產(chǎn)物（使用HRP/ABTS比色法），確認產(chǎn)氧選擇性。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

研究測量了多類數(shù)據(jù)，其意義及來源如下：

 

電極形貌與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（來自圖2和附圖S1）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：SEM圖像顯示FTO-In?S?電極表面粗糙多孔，漆酶固定后無顯著形變；XRD證實In?S?晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

 

研究意義：驗證In?S?修飾成功提供了高比表面積，利于酶固定和電子傳遞；晶體穩(wěn)定性表明半導(dǎo)體在反應(yīng)中未發(fā)生光腐蝕。

 

電化學響應(yīng)數(shù)據(jù)（來自圖3、圖4和圖5）：

 

 

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：循環(huán)伏安圖顯示，光照下FTO-In?S?-漆酶電極的電流密度顯著增加（圖4b），而裸FTO或僅物理吸附漆酶的電極響應(yīng)微弱（圖3）。計時安培法進一步量化光電流（圖5）。

 

研究意義：光照使電流提高10倍以上，證明光生空穴參與水氧化；共價固定漆酶是產(chǎn)氧關(guān)鍵，確保直接電子傳遞。

 

氧氣產(chǎn)生數(shù)據(jù)（來自圖4插圖、圖5和表1）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Unisense傳感器僅在光照下檢測到O?信號（圖4插圖），計時安培法結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)量化O?產(chǎn)率（圖5B）。表1總結(jié)不同電位下的電荷和O?產(chǎn)量（如1 V時法拉第效率45%）。

 

研究意義：直接證實光生物電化學產(chǎn)氧；起始電位低至0.8 V（vs. SHE），比純電化學系統(tǒng)降低0.4 V過電位。

 

酶活性數(shù)據(jù)（來自圖6）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：ABTS氧化法顯示固定化漆酶初始活性為0.18±0.08 μg，但光照6分鐘后活性下降99%（圖6e）。

 

研究意義：漆酶在光照下易失活，主要因羥基自由基攻擊或光降解，限制系統(tǒng)長期穩(wěn)定性；但逆反應(yīng)（產(chǎn)氧）可能不依賴T1位點，與天然還原活性無關(guān)。

 

結(jié)論

 

技術(shù)可行性：FTO-In?S?-漆酶系統(tǒng)能在可見光輔助下高效催化水氧化，起始電位0.8 V（vs. SHE），法拉第效率達45%，顯著降低過電位。

酶作用關(guān)鍵：漆酶作為生物催化劑，通過共價固定實現(xiàn)直接電子傳遞；其產(chǎn)氧轉(zhuǎn)換頻率（4.6 s?1）與PSII系統(tǒng)相當。

局限性：漆酶光穩(wěn)定性差，需通過酶工程（如定向進化）或電極納米結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

 

創(chuàng)新點：首次將非PSII酶與可見光結(jié)合用于生物電化學產(chǎn)氧，為太陽能轉(zhuǎn)換提供了混合策略。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

丹麥Unisense氧氣微傳感器在本研究中扮演了核心角色，其測量數(shù)據(jù)的意義如下：

 

實時監(jiān)測產(chǎn)氧過程：

 

傳感器置于距電極1.5 mm處，實時檢測O?濃度變化（圖4插圖和圖5）。數(shù)據(jù)顯示O?信號僅在光照下出現(xiàn)，且與光電流同步（延遲約30秒，源于擴散限制），直接證實了光生物電化學產(chǎn)氧的真實性，而非假象或副反應(yīng)。

 

量化產(chǎn)氧效率：

 

通過傳感器信號與電荷積分的線性校準（附圖S2和S3），將O?信號轉(zhuǎn)換為摩爾量（表1）。例如，在1 V電位下，電荷0.96 mC對應(yīng)O?產(chǎn)量0.87 nmol，從而計算法拉第效率（45%）。這提供了準確的產(chǎn)率評估，為系統(tǒng)優(yōu)化提供基準。

 

驗證低過電位優(yōu)勢：

 

傳感器數(shù)據(jù)顯示，起始產(chǎn)氧電位為0.8 V（vs. SHE），遠低于純電化學所需的1.2 V（漆酶/石墨電極）或1.55 V（裸FTO）。這突出了光輔助策略的能量節(jié)約效益，證實In?S?的光生空穴有效驅(qū)動了酶催化逆反應(yīng)。

 

排除干擾與副產(chǎn)物：

 

結(jié)合H?O?檢測實驗（附圖S3B），傳感器確認O?是主要產(chǎn)物（無H?O?積累），證明反應(yīng)選擇性高。同時，控制實驗（如CuSO?替代）中傳感器無信號，排除了金屬離子干擾。

 

環(huán)境應(yīng)用潛力：

 

Unisense電極的高靈敏度（檢測限0.04 mg/L）使其適用于自然水體中低濃度O?監(jiān)測，為未來實地應(yīng)用提供了方法學支持。其數(shù)據(jù)可靠性強化了該系統(tǒng)的環(huán)境相關(guān)性，如用于太陽能燃料生產(chǎn)或廢水處理。

 

總之，Unisense電極的數(shù)據(jù)不僅提供了產(chǎn)氧的直接證據(jù)，還通過精確量化支持了機制分析，是連接光電子轉(zhuǎn)移與生物催化的重要橋梁。