Tandem Photocatalytic CO 2 -to-C 2 H 4 Conversion through an Intracellularly Interfaced Quantum Dot-Molecular Catalyst-Bacteria Biohybrid

串联 化学 量子产额 光催化 纳米技术 光致发光 催化作用 产量(工程) 荧光 级联 级联反应 量子点 组合化学 细胞内 半导体 细菌 发光 人工光合作用 分解 生物催化 化学工程 工作(物理) 反应条件
作者
Y. Ding,Yude Su
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 2027-2038 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20893
摘要

Semiartificial photosynthetic system (SAPS) combines the strengths of microbial enzyme machinery and semiconductor light harvesters, offering a promising platform to achieve solar-driven CO2 conversion. However, existing CO2-fixing SAPSs are constrained by the limited choices of CO2-assimilating microorganisms, while the use of non-CO2-assimilating microbes in SAPS for solar-driven CO2 conversion has rarely been demonstrated. In this work, we developed an integrated nanobiohybrid by co-introducing quantum dots (QDs) and molecular catalysts (MCs) into a non-CO2-assimilating bacterium, Azotobacter vinelandii (A. vinelandii), enabling a cascade photocatalytic reduction of CO2 to C2H4 via CO intermediates. The intracellular microanaerobic environment protects the QD-MC assembly from O2 and promotes the photocatalytic CO2-to-CO conversion, while the intracellularly generated CO accelerates subsequent light-driven enzymatic synthesis of C2H4. The synergistic interactions among QD, MC, and bacteria were confirmed by fluorescent CO probing, time-resolved photoluminescence (TRPL), and in vitro control experiments. An optimized system achieved an accumulation of 7.9 μmol L–1 C2H4 over 7 days without loss of activity, showing a yield of 2.1 × 107 C2H4 per cell, surpassing the natural production by 162%. Our work introduced a novel integrated tandem biohybrid system that broadens the category of microbial organisms applied in CO2-fixing SAPS. We envision that this tandem biohybrid strategy can be extended to broader non-CO2-assimilating microbes for the production of other value-added chemicals beyond C2H4 from CO2.
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