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图 单原子-纳米颗粒纳米桥强化微生物界面处的电子传递机理
在国家自然科学基金项目（批准号：516760097）等资助下，重庆大学程军教授团队在微生物电化学还原CO2制甲烷领域取得进展，研究成果分别以“精密设计单原子-纳米颗粒的纳米桥调控界面微生物组和电荷传递动力学促进微生物电还原CO2（Tailoring interfacial microbiome and charge dynamics via a rationally designed atomic-nanoparticle bridge for bio-electrochemical CO2-fixation）”“揭示甲烷八叠球微生物电化学CO2转化过程中Co-N4@Co-NP纳米桥赋能界面快速电子传递和活化胞内甲烷化机理（Revealing Co-N4@Co-NP Bridge-Enabled Fast Charge Transfer and Active Intracellular Methanogenesis in Bio-Electrochemical CO2-Conversion with Methanosarcina Barkeri）”为题，于2023年2月3日、9月10日发表在《能源环境科学》（Energy & Environmental Science），《先进材料》（Advanced Materials）期刊上。论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d2ee03886b；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202304920。
利用微生物电化学方法转化CO2生产甲烷是面向碳达峰碳中和的应用前景广阔的负碳技术之一。然而由于电极处生物-非生物界面处紊乱和缓慢的电子传递效率，导致微生物电还原CO2速率低和选择性低的问题。如何调控界面处微生物与电极界面能级和热动力学路径提高电子质子利用效率，促进CO2定向转化依然是微生物电化学领域悬而未决的关键瓶颈问题。
程军教授团队研制了一种钴单原子-钴颗粒的纳米桥状结构自支撑电极，用于精准调控固碳微生物组和CO2还原电子传递动力学，提高CO2转化微生物的吸附效率和强化微生物-纳米材料界面处的双向电子传递，从而实现在低过电位下微生物电化学CO2向CH4的高速定向转化。基于有限元模拟揭示纳米材料表面微结构强化微生物-纳米片间的静电作用富集微生物机理，结合基因组学阐明Na+离子富集调控产甲烷古菌胞内的多元竞争反应网络基础，提出纳米颗粒尺寸变化与界面电场强度关联性，揭示单原子-纳米颗粒协同提高生物量的宏观动力学基础。创新提出Co纳米颗粒到Co单原子结构的电子接力机理，阐明导电胞外聚合物中醌类基团和细胞色素b与Co-N4配位结构形成的电子传递路径，联合同步辐射和量子化学模拟揭示生物-非生物界面处Co-N4与导电物质核心（如Fe-N4，醌类基团）电子能级匹配过程，降低CO2 还原过程中的电子-质子加成反应热力学能垒，从电子尺度成功强化生物-非生物界面处能质传递，获得目前微生物电化学产甲烷系统在低电位下的最高甲烷产量（3860 mm/m2/day at -1.0 vs. Ag/AgCl）。这项工作提供了一种单原子工程联合微生物电化学的新视角，为研发具有高效低成本的CO2还原催化系统开辟了新道路。