研制微生物－纳米复合新型材料将微生物燃料电池穿在身上

苏育德中国科学技术大学苏州高等研究院特任研究员33岁

作为“先锋者”入选的苏育德的代表性工作，是纳米材料与微生物纳米新型复合材料的设计及其在人工光合作用与燃料电池领域的应用。因其在微生物－纳米交叉学科领域取得突破性成果，而成功入选“创新35人”。

获奖时年龄：33岁

获奖时职位：中国科学技术大学苏州高等研究院的特任研究员

获奖理由：他开创了一种独特的单根纳米线光电极平台，研发了一种密堆积的固碳细菌—纳米线复合电极，开创性地提出了原位负载微生物催化剂的概念，提高微生物与纳米材料之间的电子转移效率。

建设可持续能源社会是目前世界各国的共同目标，电化学与光化学体系在其中扮演着很重要的角色，而催化剂则是决定体系能量转化效率的关键因素。

按照是否具有生物活性，催化剂可分为非生物催化剂和生物催化剂，常见的非生物催化剂包括金属氧化物、有机金属催化剂等，生物催化剂包括酶、微生物等。相对于非生物催化剂，生物催化剂的优势在于对反应物具有高选择性，可省去反应后产物的后续分离步骤。然而酶作为使用量较大的生物催化剂，在活体外稳定性极差，环境因素（如温度、pH值）对其活性影响非常大，有时工作寿命只有短短几小时；微生物作为酶的活体载体，不仅具有酶催化的专一性和高效性等优点，而且生存能力远超催化剂酶。

纳米材料作为当前炙手可热的研究对象，其尺寸与电子的相干长度以及光的波长接近，加上较大的比表面积，表现出不同于宏观物质的性质，例如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等等。纳米材料的这些特殊性质使得其在各行各业得到广泛关注与研究应用。

中国科学技术大学苏州高等研究院的特任研究员苏育德，在长达十年的研究生涯中将微生物与纳米材料进行复合，致力于把微生物纳米复合材料应用到人工光合作用与燃料电池两个领域。

苏育德致力于微生物－纳米新型复合材料的研发，用于电化学和光化学能量转化。他开创了一种独特的单根纳米线光电极平台，可精确地测量单根半导体纳米线的光电化学信号，最终得出“提高阵列中纳米线光电极的微观均一性是提高阵列宏观性能的关键”这一结论；他通过优化细菌与电极之间的界面，研发了一种密堆积的固碳细菌—纳米线复合电极，在一周时间内实现了效率达3.6%的“太阳能至醋酸”的能量转化，为地球上的碳平衡和火星的大气转变提供了可能；他开创性地提出了原位负载微生物催化剂的概念，提高了微生物与纳米材料之间的电子转移效率。

提高阵列中纳米线光电极的微观均一性是提高阵列宏观性能的关键

“我们选择将纳米材料跟微生物结合在一起是有一定原因的。一是纳米材料有很高的比表面积，可以覆盖更多的微生物；二是纳米材料具有很独特的光电性能，可以更好地利用光能和电能。另外，最重要的是，纳米材料的结构比较特殊，由于纳米线材料与细菌相似的尺寸和形貌，细菌可以定向地识别并附着在纳米线材料上。”鉴于纳米线材料与细菌之间的特殊性，苏育德针对纳米线材料做了一些研究。

半导体纳米线是很好的光电极材料，可以用作人工光合作用，一是因为纳米线结构的高比表面积可以提供更多的催化活性位点，降低光电化学反应中的过电势；二是纳米线阵列的表面可以降低光的反射，增强光的吸收；三是纳米线的独特结构可以使光的吸收途径和载流子的迁移途径正交。

单根半导体纳米线光电极平台示意图（左），纳米线光电化学信号（右）

而纳米线光电极阵列中诸多微观不均一性成为悬而未决的科研问题，为了探索纳米材料的微观不均一性对其宏观光电化学性能的影响，苏育德构建了一个独特的单根半导体纳米线光电极体系，可以精确地测量单根半导体纳米线的光电化学信号，结果发现纳米线阵列的性能是由阵列里最差的单根纳米线决定的。证明了半导体纳米线材料的微观不均一性会降低材料的宏观性能，这一结论也适用于其他通过并联构筑的纳米功能材料。

这项工作苏育德在2016年以第一作者发表在《自然纳米技术》期刊，剑桥大学欧文·莱斯纳教授高度评价了这篇工作论文中的尖端纳米技术。

把火星变成一个更适合人类居住的星球

苏育德认为火星移民是未来一个很重要的方向，对此他深感兴趣，“几十亿年前地球上还是以二氧化碳为主，那么蓝藻的出现逐渐增加了地球上的氧气含量，从而出现了有氧微生物，然后是爬行动物，然后才是哺乳动物。那么现在我们希望来模拟地球上几十年亿前的这一过程，把我们的体系带到火星上去，然后改变火星的大气成分，把火星变成一个更适合人类居住的星球。目前火星上有98%的气体成分是二氧化碳，为这种固碳细菌提供了比较好的工作环境，希望能把其带上太空，先在宇宙飞船上工作，最终带到火星，进而希望最终能够改变火星的大气成分。”

当然除了宏伟的外太空应用目标外，在地球上固碳细菌进行人工光合作用也有比较好的产业化前景。“在我们证明了细菌可以定向地识别并附着在纳米线材料上后，下一步就是把固碳细菌负载到纳米线电极中。”

固碳细菌的优势包括对反应物的高选择性、高催化活性、可以自我繁殖并自我修复能力（酶所不具有的）等。用固碳细菌作为催化剂，实现高选择性的光化学/电化学二氧化碳还原，其中细菌与电极之间的界面，是决定电子转移和二氧化碳还原效率的关键。

密堆积的固碳细菌－纳米线复合人工光合作用体系示意图

苏育德通过调控细菌负载量、电解液成分以及pH值，最终得到了一个密堆积的细菌—纳米线复合电极。由于提高了界面的质量和界面附近细菌的密度，密堆积的电极可以在长达一周的时间内实现效率达3.6%的“太阳能至醋酸”的能量转化，这个效率是目前报道的细菌催化人工光合作用中最高的效率之一。

美国著名科学评论员罗伯特·桑德斯高度评价这个复合体系在地球和火星上的应用前景。如果固碳细菌—纳米线复合电极可以在火星上工作，那么会在火星表面引入氧气和有机物，这将对火星的大气层演变以及对火星的进一步探索产生重大意义。

将细菌燃料电池的发电效率提高150倍

产电细菌原位负载到三维水凝胶结构中的复合体系

微生物种类繁多，固碳细菌是把二氧化碳还原成有机物，另外一种产电细菌可以将有机物氧化成二氧化碳，能应用于微生物燃料电池。与固碳细菌相似，微生物燃料电池也需要产电细菌与高比表面积的电极密切接触，从而来提高电子转移效率，目前广为使用的方法是先构筑一个高比表面积的电极，然后再负载细菌。这种方法容易导致微生物在电极孔道处产生堆积，负载效率比较低。

之前人们发现当把酶与MOF的前驱体混在一起，在合成MOF时酶会原位负载到MOF微小的孔道中。苏育德从酶的原位负载延伸出原位负载生物催化剂的概念，通过溶胶凝胶法将产电细菌原位负载到共轭聚合物三维水凝胶纳米结构中进行电化学反应。这样的原位制备的复合体系优化了产电细菌与聚合物之间的界面，将燃料电池的发电效率提高了150倍。

苏育德通过进一步研究发现，原位法制备的产电细菌聚合物复合体系是一个性质和功能可以随着外界刺激而变化的智能体系。当在电解质中加入或者去除镁离子时，它的功能会在燃料电池与超级电容器之间进行可逆地转换。这个刺激－响应型设计，使同时具备发电与储电功能的智能能源器件成为了可能。

可以穿在身上的微生物燃料电池

可穿戴的微生物燃料电池纤维

目前科研界炙手可热的新秀—可穿戴器件（如生物传感器、电子皮肤），都需要电池的供给，而常用的锂离子电池需要经常更换，降低了可穿戴器件的智能性，所以希望能够用到人体自供能体系，利用人体本身产生的能量，在体表进行发电。

产电细菌可以实时地、可持续地利用皮肤表面汗液中的生物质（包括乳酸、葡萄糖、尿素和氨）在体表进行发电。将可穿戴的微生物燃料电池做成纤维状，一端负载微生物和一些微生物的载体作为纤维微生物燃料电池的阳极，在纤维的另一端负载一些可以还原氧气的催化剂作为纤维微生物燃料电池的阴极，中间纤维不负载任何物质作为等效的离子半透膜，在一根纤维上实现了微生物燃料电池的功能，将上述纤维编织在人的衣服上，能够为可穿戴器件源源不断提供电能。

然而，苏育德发现由于微生物的代谢会随着时间产生变化，可穿戴微生物燃料电池的数字功率是不稳定的，实际应用要求输出的功率相对稳定，所以要把可穿戴微生物燃料电池的电能先收集起来，然后再以一个恒定的功率释放出去。

苏育德研发了一种可穿戴的超级电容器体系，该体系基于一种特殊的有机分子共轭聚电解质。此共轭聚电解质具良好的电导率和离子导电率，同时具有灵活可控的分子结构和生物兼容性，容易形成水凝胶结构，苏育德认为这种材料将是制备柔性可穿戴超级电容器的理想电极材料。

目前，在微生物—纳米复合材料的设计制备上还有很多科学问题以及工程问题需要解决。科学问题，包括如何在微观世界探测电子从纳米线到细菌，从细菌到聚合物材料的转移过程，需要一些原位的光谱手段或者近程的原位电化学手段来进行探测。工程领域的问题，如需要提高固碳细菌的工作时间，由细菌的寿命所决定，目前研发的体系最多只能工作1个月左右。苏育德希望可以与一些合成生物学的专家进行合作，通过改变微生物的基因来实现其工作时间的延长。

苏育德最后表示，会延续自己的科研特色，对微生物—纳米复合材料的设计进行大胆的创新，让这类新型复合材料在能源、催化、外太空探索、环境治理、可穿戴器件等更多领域发挥作用。