Photoelectrocatalytic‐Microbial Biohybrid for Nitrogen Reduction

藤黄固氮菌 固氮酶 材料科学 化学工程 固氮 纳米技术 氮气 化学 有机化学 工程类
作者
Yingjie Zhang,Tianhang Feng,Xuedong Zhou,Zhonghai Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (44): e2407239-e2407239 被引量:19
标识
DOI:10.1002/adma.202407239
摘要

Nitrogen (N2) conversion to ammonia (NH3) in a mild condition is a big chemical challenge. The whole-cell diazotrophs based biological NH3 synthesis is one of the most promising strategies. Herein, the first attempt of photoelectrochemical-microbial (PEC-MB) biohybrid is contributed for artificial N2 fixation, where Azotobacter vinelandii (A. vinelandii) is interfaced directly with polydopamine encapsulated nickel oxide (NiO) nanosheets (NiO@PDA). By virtue of excellent bio-adhesive activity, high conductivity, and good biocompatibility of PDA layer, abundant A. vinelandii are effectively adsorbed on NiO@PDA to form NiO@PDA/A. vinelandii biohybrid, and the rationally designed biohybrid achieved a record-high NH3 production yield of 1.85 µmol h-1/108 cells (4.14 µmol h-1 cm-2). In addition, this biohybrid can operate both under illumination with a PEC model or in dark with an electrocatalytic (EC) model to implement long-term and successional NH3 synthesis. The enhancement mechanism of NH3 synthesis in NiO@PDA/A. vinelandii biohybrid can be ascribed to the increase of nicotinamide adenine dinucleotide-hydrogen (NADH) and adenosine 5-triphosphate (ATP) concentrations and over expression of nitrogen-fixing genes of nifH, nifD and nifK in nitrogenase. This innovative PEC-MB biohybrid strategy sheds light on the fundamental mechanism and establishes proof of concept of biotic-abiotic photosynthetic systems for sustainable chemical production.
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