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Beyond Photosynthesis: H2O/H2O2/O2 Self-Circulation-Based Biohybrid Photoelectrochemical Cells for Direct and Sustainable Solar-to-Fuel-to-Electric Power Conversion

化学 光合作用 光电化学电池 催化作用 太阳能燃料 循环(流体动力学) 电极 光催化 物理 热力学 生物化学 电解质 物理化学
作者
Xiaoxuan Sun,Jinxing Chen,Junfeng Zhai,He Zhang,Shaojun Dong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (50): 23073-23080 被引量:35
标识
DOI:10.1021/jacs.2c10445
摘要

Solar-to-fuel conversion followed by secondary utilization in fuel cells provides an appealing approach to alleviating global energy shortages but is largely restricted by the complex design of power systems and the development of functional catalysts. Herein, we presented a biohybrid photoelectrochemical cell (BPEC) to implement sustainable solar-to-fuel-to-electric power conversion in a single compartment, by ingeniously combining reliable photoelectrochemical H2O2 generation with efficient bioelectrochemical H2O2 consumption. Specifically, the BPEC is composed of a Mo-modified BiVO4 (Mo:BiVO4) photoanode and a horseradish peroxidase (HRP)/pyrene-modified 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (bis-Pyr-ABTS)/carbon nanotubes with an encapsulated Co nanoparticle (Co/CNTs) biocathode. Upon photoexcitation, two-electron H2O oxidation can be carried out at the Mo-BiVO4 photoanode to produce H2O2, followed by electroenzymatic reduction of H2O2 to H2O by HRP with the help of a bis-Pyr-ABTS redox mediator at the biocathode. Besides, in response to the insufficient Faradaic efficiency of H2O2 generation at the photoanode, the functional Co/CNTs catalysts, possessing prominent electrocatalytic selectivity toward two-electron O2 reduction (electron transfer number = 2.6), are modified on the biocathode, thus clearly defining effective H2O/H2O2/O2 self-circulation in this device. This developed BPEC obtains an open-circuit potential of 1.03 ± 0.02 V and a maximum power density of 0.18 ± 0.02 mW cm-2. Moreover, inspired by the particular advantage of enzymatic biofuel cells for easy miniaturization, an enclosed "sandwich-like" BPEC of approximately 1 cm3 size is fabricated and delivers a power output of 0.13 ± 0.03 mW cm-2. Our work represents a controllable approach for meaningful solar energy utilization, beyond traditional artificial photosynthesis, and can further provide a significant paradigm shift in building an energy-sustainable society.
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