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3D打印分层柱阵列电极用于高性能半人工光合作用

学术动态    2022-06-16 15:08

 

DOI: 10.1038/s41563-022-01205-5

光伏发电是人类利用太阳能的主要方式之一,其核心技术是通过半导体材料将太阳能转化为电能。然而,随着光伏产业的发展,废弃的硅基太阳能电池板难以回收,部分种类的光伏材料含有毒元素,对环境存在威胁。面对这些问题,科学家从大自然中寻找灵感,提出了生物光伏(biophotovoltaics, BPV)的策略,利用光合微生物(如蓝藻,又称蓝细菌)作为光电转换材料,提供了一条利用太阳能的新途径。该方法具有碳中性、良好的环境相容性和潜在低成本等优势,有望成为环境更加友好的新一代太阳能发电技术。

 

为了能够提取并利用光合作用产生的能量,这些光合微生物需要连接到电极上。据计算,蓝藻电极可实现的光电流密度可达340~2400 µA cm−2,然而目前实际报道的文献数据通常比理论值低1~2个数量级。尽管蓝藻等光合微生物具有很高的光合效率,但蓝藻电极的产电活性很弱,如何增加生物电子输出是提高生物光电流的关键。

 

近日,剑桥大学Jenny Z. Zhang课题组在Nature Materials 杂志上发表论文,开发了一种气溶胶喷墨打印技术,将氧化铟锡(ITO)纳米颗粒材料3D打印成高度分支、密集的微柱电极阵列,用于高效半人工光合作用。先进的分层多孔结构,既有利于蓝藻生长,又易于实现生物-电极界面上的能量/电子转移,显示出良好的光利用率和电子输出,光电流密度最高可实现245 µA cm−2,是迄今为止最接近理论值的报道。

 

图1 蓝藻与ITO电极间电子转移示意图。

 

图2 新一代生物光电电极示意图。

 

图3 气溶胶喷墨打印微柱电极阵列。

 

图4 3D打印微柱电极的高透光率及蓝藻负载。

 

图5 电极的光电化学性能。

 

图6 电极结构-性能评估。