Layer-by-Layer Assembly of Photosystem I and PEDOT:PSS Biohybrid Films for Photocurrent Generation

光电流 佩多:嘘 材料科学 图层(电子) 电极 逐层 纳米技术 导电聚合物 单层 化学工程 聚合物 光电子学 化学 复合材料 工程类 物理化学
作者
Kody D Wolfe,Avi Gargye,Faustin Mwambutsa,Long Viet Than,David E. Cliffel,G. Kane Jennings
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:37 (35): 10481-10489 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.1c01385
摘要

The design of electrode interfaces to achieve efficient electron transfer to biomolecules is important in many bioelectrochemical processes. Within the field of biohybrid solar energy conversion, constructing multilayered Photosystem I (PSI) protein films that maintain good electronic connection to an underlying electrode has been a major challenge. Previous shortcomings include low loadings, long deposition times, and poor connection between PSI and conducting polymers within composite films. Here, we show that PSI protein complexes can be deposited into monolayers within a 30 min timespan by leveraging the electrostatic interactions between the protein complex and the poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS) polymer. Further, we follow a layer-by-layer (LBL) deposition procedure to produce up to 9-layer pairs of PSI and PEDOT:PSS with highly reproducible layer thicknesses as well as distinct changes in surface composition. When tested in an electrochemical cell employing ubiquinone-0 as a mediator, the photocurrent performance of the LBL films increased linearly by 83 ± 6 nA/cm2 per PSI layer up to 6-layer pairs. The 6-layer pair samples yielded a photocurrent of 414 ± 13 nA/cm2, after which the achieved photocurrent diminished with additional layer pairs. The turnover number (TN) of the PSI-PEDOT:PSS LBL assemblies also greatly exceeds that of drop-casted PSI multilayer films, highlighting that the rate of electron collection is improved through the systematic deposition of the protein complexes and conducting polymer. The capability to deposit high loadings of PSI between PEDOT:PSS layers, while retaining connection to the underlying electrode, shows the value in using LBL assembly to produce PSI and PEDOT:PSS bioelectrodes for photoelectrochemical energy harvesting applications.
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