導讀

氨（NH3）是化肥、燃料和化工行業的關鍵原料，但其大規模生產主要依賴高能耗、高排放的哈伯-博世法。利用太陽能驅動溫和條件下氮氣（N2）還原合成氨（NRR）是極具前景的綠色替代路線，但面臨效率與選擇性的挑戰。近日，華東師范大學張中海教授、吳丹副研究員（現上海健康醫學院）與南京工業大學章文明教授等團隊合作，在

Nature Communications

副標題：Cu2O@TiO2納米線耦合固氮菌，環境條件下高效光驅動合成氨

研究亮點

1.創新材料設計：采用原子層沉積（ALD）技術在Cu2O納米線表面構建TiO2保護層，形成Cu2O@TiO2核殼結構納米線（NWs）。該設計既解決了Cu2O易光腐蝕的難題，顯著提升電極穩定性，又保留了材料的光吸收和催化活性，并增強了細菌粘附能力。

2.高效生物雜化：將固氮菌Azotobacter vinelandii (A. vinelandii) 吸附在Cu2O@TiO2 NWs電極表面，構建生物雜化系統。活細菌作為生物催化劑，有效接收來自納米線的光生電子。

3.卓越固氮性能：在模擬太陽光照射和溫和電位（-0.3 V vs. RHE）下，該生物雜化系統表現出優異的N?還原合成氨性能：

o高氨產率：達到 (1.49 ± 0.05) × 10-9 mol s-1 cm-2（相當于 5.36 ± 0.18 μmol h-1 cm-2）。

o高法拉第效率 (FE)：在 -0.2 V vs. RHE 時最高可達 72.6 ± 5.1%。

o優異穩定性與選擇性：連續運行24小時性能穩定，經歷6次循環后活性保持良好，且未檢測到副產物肼（N2H4）。

4.分子機制闡明：深入研究發現，光生電子注入細菌后：

o顯著提高了關鍵輔因子NADH（還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）的濃度和NADH/NAD+比值。

o促進了細胞“能量貨幣”ATP（三磷酸腺苷）的合成（增加1.2倍）。

o為固氮酶復合體提供了額外電子，增強了其還原N?的活性。有趣的是，在光電化學（PEC）模式下，施加的偏壓能有效驅趕光生空穴，避免局部氧積累對固氮酶基因（nifH, nifD）表達的抑制，甚至能刺激其表達上調（相較于純光催化PC模式）。

5.良好生物相容性：通過共聚焦顯微鏡（CLSM）、流式細胞術和菌落計數（CFU）等實驗證實，Cu2O@TiO2 NWs 對 A. vinelandii 具有良好的生物相容性。在長時間固氮反應后，大部分細菌仍保持活性，甚至細菌數量略有增加，表明該雜化體系具備長期應用的潛力。

圖文解析

·圖1：展示了Cu?O@TiO? NWs/A. vinelandii生物雜化系統的制備流程：泡沫銅（CF）通過陽極氧化形成Cu(OH)2NWs，再經氮氣氛圍退火轉化為Cu2O NWs，最后利用ALD沉積TiO2保護層，形成核殼結構，并吸附固氮菌。

·圖2：證明了生物雜化的成功形成（SEM顯示細菌吸附），光電流響應增強證實了光誘導的N?還原過程，熒光光譜（DiOC2(3)染色）和NADH/NAD+、ATP水平檢測及基因表達分析提供了光生電子成功跨膜傳遞并促進胞內代謝和固氮酶活性的直接證據。

·圖3：系統評估了生物雜化系統的PEC-NRR性能，包括線性掃描伏安（LSV）曲線、不同電位下的氨產率（UV-vis和15N同位素標記NMR驗證）、法拉第效率、與單一組分（純Cu2O NWs, Cu2O@TiO2NWs, 游離A. vinelandii）的對比、控制實驗（Ar氣氛、開路條件）、不同模式（PEC, EC, PC）下的活性、穩定性循環測試以及與文獻報道催化劑的性能對比，充分展示了該雜化系統的優越性。

·圖4：通過活/死菌熒光染色（CLSM）、流式細胞術和CFU計數，證實了Cu2O@TiO2NWs優異的生物相容性和對細菌活性的良好維持。

總結與意義

本研究成功開發了一種基于Cu2O@TiO2核殼納米線與固氮菌A. vinelandii的新型無機-生物雜化系統，實現了在環境條件下高效、穩定、高選擇性的太陽能驅動氮氣還原合成氨。該工作巧妙地結合了半導體材料優異的光電特性和微生物高效、特異的生物催化能力，通過促進胞內關鍵輔因子（NADH, ATP）的生成和固氮酶電子傳遞，顯著提升了固氮效率。這一策略不僅為可持續的“綠色合成氨”提供了一條極具前景的新路徑，也為設計開發更多功能性的光驅動生物雜化系統用于太陽能-化學能轉化（如CO2還原、H2生產等）提供了重要思路和范例。

文獻詳情：

Inorganic-bacterial biohybrids for efficient solar-driven nitrogen fixation.

Xue Zhou, Dan Wu, Yingjie Zhang, Tianhang Feng, Wenming Zhang & Zhonghai Zhang

Nat Commun,

https://doi.org/10.1038/s41467-025-60937-5

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