二氧化碳自呼吸阴极构建及其生物传感与生物燃料电池应用的基础研究

Simulating the photosynthesis mechanism of plants and realization of the efficient, rapid and green catalytic reduction of CO2 remain hotspots for current research. This project intends to use porous materials to construct a gas-solid-liquid three-phase interface with good gas transmission properties. The single/multiple CO2 reductase or the fungi, photosensitizers, electron transfer mediators and nanomaterials are joint at this interface for the construction of carbon dioxide self-breathing cathode. Due to the porous structure of cathode, CO2 molecule can directly arrive at the surface of the biomolecule from the gas phase and then trigger the reaction. The effect of assembly behavior on the biological molecules of carbon dioxide self-breathing cathode, such as biomolecule activity, electron transfer, energy transfer, mass transfer, and the interaction of enzymes/bacteria biological molecules with nanomaterials and their kinetics mechanism of CO2 reduction on the respiratory cathode will be investigated. Meanwhile, the multi-step and multi-coupling CO2 bio-reduction process and kinetic mechanism of co-exist of multi-enzymes, photosensitizer and electron transfer mediator will be also studied to explore new methods and ways in improving the activity, stability and practicability of CO2 self-breathing cathode. On this basis, we will study the breathing gas from patient and the biosensing technology/device in the air based on CO2 self-breathing cathode, and extend the application of CO2 self-breathing cathode in biofuel cell. It would provide new principles and new technologies for simulating and developing CO2 bioconversion process and its energy applications.

模拟植物光合作用机制，实现CO2高效、快速、绿色催化还原是当前的研究热点。本项目拟利用多孔材料构筑具有良好气体传输性能的气-固-液三相界面，通过单/多CO2还原酶或菌类、光敏剂、电子传递媒介体和纳米材料等在该界面上的共组装制得CO2自呼吸阴极，该阴极具有多孔性结构使得CO2分子能从气相直接到达生物分子表面进行反应；研究组装行为对CO2自呼吸阴极上生物分子活性、电子传递、能量传递、物质传递、酶/菌等生物分子与纳米材料的相互作用及其CO2还原动力学机制等的影响规律，研究多酶、光敏剂、电子传递媒介体同存时多步骤多功能耦合CO2生物还原的过程和动力学机制，探索提高CO2自呼吸阴极活性、稳定性、实用性的方法和途径；在此基础上研发基于CO2自呼吸阴极的病人呼吸气体和空气中CO2生物传感技术与器件，研究CO2自呼吸阴极在生物燃料电池中的应用，为模拟和发展CO2生物转化过程及其能源化应用提供新原理新技术。

四年来，在基金21874018的资助下，围绕CO2光电催化还原，构建酶精确组装、光敏剂/电子传递媒介体的共组装及其CO2生物燃料电池体系，开展界面反应活性调控及其催化反应动力学机制等研究。通过零维/二维石墨相氮化碳量子点（g-CNQDs）-卟啉金属有机框架（PMOF）纳米复合组装、气-固-液三相界面的纳米通道反应器构建、金属有机框架复合物（MOFs）和金纳米棒或甲酸脱氢酶共组装，实现了CO2 的高效光电催化还原。同时，将CO2 生物阴极与光阳极组装成生物燃料电池，在阳极光照作用下实现阳极室双酚A的光催化降解，并有效地将阳极氧化电子传递给CO2 生物阴极，实现CO2 的高效还原。研究成果发表SCI刊物论文11篇，获授权中国发明专利2件，申请中国发明专利2件，另有4篇论文正在投稿之中。受邀参加2019年6月加拿大魁北克The 102nd Canadian Chemistry Conference and Exhibition (CCCE2019)，2019年3月林芝中国化学快报全国分析化学学术会议，2019年5月杨凌第十二届全国微全分析系统学术会议，2019年10月长沙第20次全国电化学大会， 2019年10月开封第十五届两岸四地纳米科技大会，2020年12月第四届微流控技术应用创新论坛，2021年4月珠海中国化学会第32届学术年会，2021年7月北京第十七届全国有机电化学与电化学工业学术会议，2021年10月长沙中国化学会第二十一届全国有机分析及生物分析学术研讨会，2021年11月长沙第十五届全国化学传感器学术会议，并作邀请报告各一次。承办了“第十四届全国电分析化学学术会议”，并获中国化学会2020年度优秀学术交流组织奖。2022年12月20日承办“测论-生命分析”。项目期间，培养博士研究生2人，硕士研究生3人。项目基本按计划完成。