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李立东教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.发表最新研究成果（Hot Paper）：新型金纳米簇/有机半导体人工异质结，助力微生物光合作用

成果发表

第一作者：丛雨洁

通讯作者：王晓瑜副教授，王树研究员，李立东教授

合作单位：中国科学院化学研究所

导读

太阳能作为可再生能源之一，储量丰富。天然光合作用可以将太阳能转化为化学能，并以有机化合物的形式进行储存，为解决能源问题提供了重要途径。然而天然光合作用将太阳能转化为化学能的效率仅为3%，无法满足当前的能源需求。为此，研究人员致力于研究人工光电复合材料，用于提升光合作用。目前利用人工材料的外源电子提升天然光合作用效率，实现高效太阳能转换依然存在挑战。

近日，材料学院李立东教授团队与中科院化学研究所王树研究员团队合作，研发出基于金纳米簇与有机半导体材料的新型纳米异质结（AuNCs@OFTF）（图1）。该人工材料能够快速内化进入蓝藻细胞，形成高效的生物-电子界面，将外源的光生电子直接导入蓝藻内部光合作用电子传递链，显著提升光电转换效率和生物质产量，在生物能源领展示出巨大的应用潜力。该研究结果以“Intracellular gold nanocluster/organic semiconductor heterostructure for enhancing photosynthesis”为题发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed. ( 2024, 63, e202405173)，并被选为Hot Paper。

图1 AuNCs@OFTF进入蓝藻提高光合作用示意图

研究内容

在这项工作中，研究团队通过共价连接金纳米簇（AuNCs）与共轭有机半导体分子OFTF，成功制备具有两亲性的AuNCs@OFTF异质结。在光照条件下，AuNCs可以捕获并转移OFTF的光生电子，有效提高电荷分离效率，进行高效光电转化（图2）。

图2 AuNCs@OFTF的结构模拟及表征

通过生物界面亲疏水作用，AuNCs@OFTF纳米异质结能够快速内化进入蓝藻细胞，并与类囊体膜结合。AuNCs@OFTF的光生电子直接导入蓝藻光合作用电子传递链，显著提高其光电转化效率，增加了光反应产物NADPH产量（图3）。在未进行基因编辑的情况下，仅仅利用AuNCs@OFTF异质结的调节作用，就可以提高蓝藻细胞的太阳能转化效率，突破了自然界光合生物天然转化效率的限制。这一次研究成果为可持续生物能源的高效生产提供了新思路与理论指导。

图3 AuNCs@OFTF杂化体系的成像及机理

该研究成果获得国家重点研发计划的支持。

论文信息

Yujie Cong, Xiaoyu Wang*, Haotian Bai, Chuang Yao, Jiaren Liu, Yi Wei, Yuetong Kang, Shu Wang*, Lidong Li*. Intracellular Gold Nanocluster/Organic Semiconductor Heterostructure for Enhancing Photosynthesis. Angewandte Chemie International Edition 2024, 63, e202405173

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202406527