3D-printed hierarchical pillar array electrodes for high-performance semi-artificial photosynthesis

电极 光电流 材料科学 纳米技术 光电子学 人工光合作用 阳极 纳米颗粒 氧化铟锡 光催化 图层(电子) 化学 生物化学 物理化学 催化作用
作者
Xiaolong Chen,Joshua M. Lawrence,Laura T. Wey,Lukas Schertel,Qingshen Jing,Silvia Vignolini,Christopher J. Howe,Sohini Kar‐Narayan,Jenny Zhang
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (7): 811-818 被引量:126
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01205-5
摘要

The rewiring of photosynthetic biomachineries to electrodes is a forward-looking semi-artificial route for sustainable bio-electricity and fuel generation. Currently, it is unclear how the electrode and biomaterial interface can be designed to meet the complex requirements for high biophotoelectrochemical performance. Here we developed an aerosol jet printing method for generating hierarchical electrode structures using indium tin oxide nanoparticles. We printed libraries of micropillar array electrodes varying in height and submicrometre surface features, and studied the energy/electron transfer processes across the bio-electrode interfaces. When wired to the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, micropillar array electrodes with microbranches exhibited favourable biocatalyst loading, light utilization and electron flux output, ultimately almost doubling the photocurrent of state-of-the-art porous structures of the same height. When the micropillars’ heights were increased to 600 µm, milestone mediated photocurrent densities of 245 µA cm–2 (the closest thus far to theoretical predictions) and external quantum efficiencies of up to 29% could be reached. This study demonstrates how bio-energy from photosynthesis could be more efficiently harnessed in the future and provide new tools for three-dimensional electrode design. Wiring photosynthetic biomachineries to electrodes is promising for sustainable bio-electricity and fuel generation, but designing such interfaces is challenging. Aerosol jet printing is now used to generate hierarchical pillar array electrodes using indium tin oxide nanoparticles for high-performance semi-artificial photosynthesis.
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