生物光伏（BPV）技術利用光合微生物（如藍藻）將太陽能轉化為電能，被視為綠色可持續能源的新方向。然而，微生物與電極界面的電子傳遞效率低下，嚴重制約了太陽能至電能的整體轉化率（通常低于1%）。這一瓶頸源于缺乏高效的跨界面電子傳遞路徑——無論是通過微生物納米線的直接傳遞，還是依賴氧化還原介體的間接傳遞，均面臨動力學障礙。

新加坡國立大學與南洋理工大學團隊開發了一種三維導電共軛聚電解質凝膠（PEDOT-S），將其與光合藍藻聚球藻7942（S. elongatus）復合，形成半透明的活體生物復合材料。該材料通過構建混合離子-電子導電網絡，顯著提升界面電子轉移效率。實驗表明，其光電流輸出比裸藻高20倍以上，單細胞水平的光電流達-0.2納安培，效率提升10倍。這一成果為生物光伏器件性能優化提供了新思路。

材料設計與特性

研究采用自摻雜共軛聚電解質PEDOT-S（圖1b），其分子結構含磺酸基負電荷鏈與p型摻雜共軛骨架，可在BG11培養基中自組裝成三維凝膠網絡（圖1a）。這種凝膠兼具光學透明性與機械穩定性：在400–700 nm光合關鍵波段透光率超80%（圖2c），且流變學測試顯示彈性模量（G'）始終高于損耗模量（G''），證實凝膠態結構（圖2d）。電化學測試表明，PEDOT-S具有低氧化電位（-0.24 V）和偽電容特性（圖2b），可作為高效電子受體。

圖 1.聚球藻/PEDOT-S 生物復合材料形成三維導電基質實現高效電子傳遞

圖 2.不同濃度 PEDOT-S 的光學與機械性能

生物相容性與復合結構

PEDOT-S在≤2 mg/mL濃度下對藍藻無毒（菌落數增長未受抑制），而5 mg/mL時因透光率下降導致活性降低51%。掃描電鏡（SEM）顯示，裸藻在電極表面分布不均且易聚集成簇（圖3a-b），而PEDOT-S復合物中細胞被均勻包埋于多孔聚合物框架內（圖3c-e）。共聚焦顯微鏡（CLSM）進一步證實，復合物中藍藻沿垂直方向擴散至30 μm（裸藻僅10 μm），形成三維電荷傳遞通道（圖3f-g）。

圖 3.聚球藻及其 PEDOT-S 生物復合材料的微觀結構

光電流性能突破

在無外源介體條件下，5 mg/mL PEDOT-S復合物光電流密度達0.091 μA/cm2，較裸藻提升20倍（圖4a,c）。電化學阻抗譜（EIS）顯示，PEDOT-S顯著降低電荷轉移電阻（RCT），且5 mg/mL復合物的電化學活性表面積（ESA）為裸電極的3.8倍（圖4d-e）。添加鐵氰化鉀介體后，2 mg/mL PEDOT-S復合物性能最優（0.83 μA/cm2），但5 mg/mL時因凝膠過厚阻礙介體擴散導致性能下降（圖4f-g）。此外，光合抑制劑DCMU使光電流消失，證實電流源自光合作用（圖4f）。

圖 4.PEDOT-S/聚球藻生物復合材料的光電流生成與電化學特性

單細胞級電子傳遞驗證

通過微流控單細胞光電流映射技術（圖5a），團隊直接觀測到PEDOT-S復合物的微觀電子傳遞增強：含15個細胞的復合物區域光電流為2.13 nA，而相同數量裸藻僅0.28 nA（圖5f）。歸一化分析顯示，復合物中單細胞平均輸出0.18 nA，是裸藻的10倍（圖5h），且光電流與細胞數量呈線性關系（圖5g），證明凝膠網絡實現了細胞與電極的高效"連線"。

圖 5.聚球藻及其 PEDOT-S 生物復合材料的多模態成像與光電流映射

應用前景

該研究首創的"活體生物復合材料"策略，通過三維導電凝膠橋接微生物與電極，突破了生物光伏的界面傳輸瓶頸。其單細胞光電流提升10倍、無介體光電流增強20倍的突破，為開發高效穩定的生物能源器件奠定基礎。未來，結合多孔電極架構與可規模化生產的PEDOT-S凝膠，有望推動生物光伏技術向實際應用邁進。

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！