研制微生物－納米復合新型材料將微生物燃料電池穿在身上

蘇育德中國科學技術大學蘇州高等研究院特任研究員33歲

作為“先鋒者”入選的蘇育德的代表性工作，是納米材料與微生物納米新型復合材料的設計及其在人工光合作用與燃料電池領域的應用。因其在微生物－納米交叉學科領域取得突破性成果，而成功入選“創(chuàng)新35人”。

獲獎時年齡：33歲

獲獎時職位：中國科學技術大學蘇州高等研究院的特任研究員

獲獎理由：他開創(chuàng)了一種獨特的單根納米線光電極平臺，研發(fā)了一種密堆積的固碳細菌—納米線復合電極，開創(chuàng)性地提出了原位負載微生物催化劑的概念，提高微生物與納米材料之間的電子轉移效率。

建設可持續(xù)能源社會是目前世界各國的共同目標，電化學與光化學體系在其中扮演著很重要的角色，而催化劑則是決定體系能量轉化效率的關鍵因素。

按照是否具有生物活性，催化劑可分為非生物催化劑和生物催化劑，常見的非生物催化劑包括金屬氧化物、有機金屬催化劑等，生物催化劑包括酶、微生物等。相對于非生物催化劑，生物催化劑的優(yōu)勢在于對反應物具有高選擇性，可省去反應后產物的后續(xù)分離步驟。然而酶作為使用量較大的生物催化劑，在活體外穩(wěn)定性極差，環(huán)境因素（如溫度、pH值）對其活性影響非常大，有時工作壽命只有短短幾小時；微生物作為酶的活體載體，不僅具有酶催化的專一性和高效性等優(yōu)點，而且生存能力遠超催化劑酶。

納米材料作為當前炙手可熱的研究對象，其尺寸與電子的相干長度以及光的波長接近，加上較大的比表面積，表現出不同于宏觀物質的性質，例如小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應及宏觀量子隧道效應等等。納米材料的這些特殊性質使得其在各行各業(yè)得到廣泛關注與研究應用。

中國科學技術大學蘇州高等研究院的特任研究員蘇育德，在長達十年的研究生涯中將微生物與納米材料進行復合，致力于把微生物納米復合材料應用到人工光合作用與燃料電池兩個領域。

蘇育德致力于微生物－納米新型復合材料的研發(fā)，用于電化學和光化學能量轉化。他開創(chuàng)了一種獨特的單根納米線光電極平臺，可精確地測量單根半導體納米線的光電化學信號，最終得出“提高陣列中納米線光電極的微觀均一性是提高陣列宏觀性能的關鍵”這一結論；他通過優(yōu)化細菌與電極之間的界面，研發(fā)了一種密堆積的固碳細菌—納米線復合電極，在一周時間內實現了效率達3.6%的“太陽能至醋酸”的能量轉化，為地球上的碳平衡和火星的大氣轉變提供了可能；他開創(chuàng)性地提出了原位負載微生物催化劑的概念，提高了微生物與納米材料之間的電子轉移效率。

提高陣列中納米線光電極的微觀均一性是提高陣列宏觀性能的關鍵

“我們選擇將納米材料跟微生物結合在一起是有一定原因的。一是納米材料有很高的比表面積，可以覆蓋更多的微生物；二是納米材料具有很獨特的光電性能，可以更好地利用光能和電能。另外，最重要的是，納米材料的結構比較特殊，由于納米線材料與細菌相似的尺寸和形貌，細菌可以定向地識別并附著在納米線材料上?！辫b于納米線材料與細菌之間的特殊性，蘇育德針對納米線材料做了一些研究。

半導體納米線是很好的光電極材料，可以用作人工光合作用，一是因為納米線結構的高比表面積可以提供更多的催化活性位點，降低光電化學反應中的過電勢；二是納米線陣列的表面可以降低光的反射，增強光的吸收；三是納米線的獨特結構可以使光的吸收途徑和載流子的遷移途徑正交。

單根半導體納米線光電極平臺示意圖（左），納米線光電化學信號（右）

而納米線光電極陣列中諸多微觀不均一性成為懸而未決的科研問題，為了探索納米材料的微觀不均一性對其宏觀光電化學性能的影響，蘇育德構建了一個獨特的單根半導體納米線光電極體系，可以精確地測量單根半導體納米線的光電化學信號，結果發(fā)現納米線陣列的性能是由陣列里最差的單根納米線決定的。證明了半導體納米線材料的微觀不均一性會降低材料的宏觀性能，這一結論也適用于其他通過并聯構筑的納米功能材料。

這項工作蘇育德在2016年以第一作者發(fā)表在《自然納米技術》期刊，劍橋大學歐文·萊斯納教授高度評價了這篇工作論文中的尖端納米技術。

把火星變成一個更適合人類居住的星球

蘇育德認為火星移民是未來一個很重要的方向，對此他深感興趣，“幾十億年前地球上還是以二氧化碳為主，那么藍藻的出現逐漸增加了地球上的氧氣含量，從而出現了有氧微生物，然后是爬行動物，然后才是哺乳動物。那么現在我們希望來模擬地球上幾十年億前的這一過程，把我們的體系帶到火星上去，然后改變火星的大氣成分，把火星變成一個更適合人類居住的星球。目前火星上有98%的氣體成分是二氧化碳，為這種固碳細菌提供了比較好的工作環(huán)境，希望能把其帶上太空，先在宇宙飛船上工作，最終帶到火星，進而希望最終能夠改變火星的大氣成分?！?/p>

當然除了宏偉的外太空應用目標外，在地球上固碳細菌進行人工光合作用也有比較好的產業(yè)化前景。“在我們證明了細菌可以定向地識別并附著在納米線材料上后，下一步就是把固碳細菌負載到納米線電極中。”

固碳細菌的優(yōu)勢包括對反應物的高選擇性、高催化活性、可以自我繁殖并自我修復能力（酶所不具有的）等。用固碳細菌作為催化劑，實現高選擇性的光化學/電化學二氧化碳還原，其中細菌與電極之間的界面，是決定電子轉移和二氧化碳還原效率的關鍵。

密堆積的固碳細菌－納米線復合人工光合作用體系示意圖

蘇育德通過調控細菌負載量、電解液成分以及pH值，最終得到了一個密堆積的細菌—納米線復合電極。由于提高了界面的質量和界面附近細菌的密度，密堆積的電極可以在長達一周的時間內實現效率達3.6%的“太陽能至醋酸”的能量轉化，這個效率是目前報道的細菌催化人工光合作用中最高的效率之一。

美國著名科學評論員羅伯特·桑德斯高度評價這個復合體系在地球和火星上的應用前景。如果固碳細菌—納米線復合電極可以在火星上工作，那么會在火星表面引入氧氣和有機物，這將對火星的大氣層演變以及對火星的進一步探索產生重大意義。

將細菌燃料電池的發(fā)電效率提高150倍

產電細菌原位負載到三維水凝膠結構中的復合體系

微生物種類繁多，固碳細菌是把二氧化碳還原成有機物，另外一種產電細菌可以將有機物氧化成二氧化碳，能應用于微生物燃料電池。與固碳細菌相似，微生物燃料電池也需要產電細菌與高比表面積的電極密切接觸，從而來提高電子轉移效率，目前廣為使用的方法是先構筑一個高比表面積的電極，然后再負載細菌。這種方法容易導致微生物在電極孔道處產生堆積，負載效率比較低。

之前人們發(fā)現當把酶與MOF的前驅體混在一起，在合成MOF時酶會原位負載到MOF微小的孔道中。蘇育德從酶的原位負載延伸出原位負載生物催化劑的概念，通過溶膠凝膠法將產電細菌原位負載到共軛聚合物三維水凝膠納米結構中進行電化學反應。這樣的原位制備的復合體系優(yōu)化了產電細菌與聚合物之間的界面，將燃料電池的發(fā)電效率提高了150倍。

蘇育德通過進一步研究發(fā)現，原位法制備的產電細菌聚合物復合體系是一個性質和功能可以隨著外界刺激而變化的智能體系。當在電解質中加入或者去除鎂離子時，它的功能會在燃料電池與超級電容器之間進行可逆地轉換。這個刺激－響應型設計，使同時具備發(fā)電與儲電功能的智能能源器件成為了可能。

可以穿在身上的微生物燃料電池

可穿戴的微生物燃料電池纖維

目前科研界炙手可熱的新秀—可穿戴器件（如生物傳感器、電子皮膚），都需要電池的供給，而常用的鋰離子電池需要經常更換，降低了可穿戴器件的智能性，所以希望能夠用到人體自供能體系，利用人體本身產生的能量，在體表進行發(fā)電。

產電細菌可以實時地、可持續(xù)地利用皮膚表面汗液中的生物質（包括乳酸、葡萄糖、尿素和氨）在體表進行發(fā)電。將可穿戴的微生物燃料電池做成纖維狀，一端負載微生物和一些微生物的載體作為纖維微生物燃料電池的陽極，在纖維的另一端負載一些可以還原氧氣的催化劑作為纖維微生物燃料電池的陰極，中間纖維不負載任何物質作為等效的離子半透膜，在一根纖維上實現了微生物燃料電池的功能，將上述纖維編織在人的衣服上，能夠為可穿戴器件源源不斷提供電能。

然而，蘇育德發(fā)現由于微生物的代謝會隨著時間產生變化，可穿戴微生物燃料電池的數字功率是不穩(wěn)定的，實際應用要求輸出的功率相對穩(wěn)定，所以要把可穿戴微生物燃料電池的電能先收集起來，然后再以一個恒定的功率釋放出去。

蘇育德研發(fā)了一種可穿戴的超級電容器體系，該體系基于一種特殊的有機分子共軛聚電解質。此共軛聚電解質具良好的電導率和離子導電率，同時具有靈活可控的分子結構和生物兼容性，容易形成水凝膠結構，蘇育德認為這種材料將是制備柔性可穿戴超級電容器的理想電極材料。

目前，在微生物—納米復合材料的設計制備上還有很多科學問題以及工程問題需要解決?？茖W問題，包括如何在微觀世界探測電子從納米線到細菌，從細菌到聚合物材料的轉移過程，需要一些原位的光譜手段或者近程的原位電化學手段來進行探測。工程領域的問題，如需要提高固碳細菌的工作時間，由細菌的壽命所決定，目前研發(fā)的體系最多只能工作1個月左右。蘇育德希望可以與一些合成生物學的專家進行合作，通過改變微生物的基因來實現其工作時間的延長。

蘇育德最后表示，會延續(xù)自己的科研特色，對微生物—納米復合材料的設計進行大膽的創(chuàng)新，讓這類新型復合材料在能源、催化、外太空探索、環(huán)境治理、可穿戴器件等更多領域發(fā)揮作用。