第一作者：肖凯
通讯作者：肖凯
通讯单位：德国马普胶体界面研究所
研究亮点：
1. 构筑了高效的、可以和生物离子泵媲美的仿生光驱动离子泵。
2. 探索了其用于光电能源转换的性质。
离子泵的研究意义
太阳能是维持地球生物生存的最基本能源保障。而自然界生物对太阳能的吸收和转化主要分为两种：第一种是通过绿色植物的光和作用，第二种是通过古生菌视紫红质。而质子泵是此两种太阳能转换过程中关机的环节。相对于复杂的绿色植物光合作用过程，细菌视紫红质可以直接吸收太阳能将质子从低浓度“泵”至高浓度，实现简单的太阳能-化学势能的转化。
离子泵亟待解决的问题
近年来，直接将细菌用于太阳能的吸收转化或者构建无机-生物半人工光合作用体系已有诸多报道，但是如何借助于化学材料构筑仿生光驱动离子泵，从而实现全无机、基于离子传输的高效光电能源转化一直难以实现。
成果简介
有鉴于此，德国马普胶体界面研究所的肖凯博士和北京航空航天大学、大连化学物理研究所、北京理化技术研究所等单位合作，借助于碳化氮纳米管膜，实现了5000倍浓度梯度的仿生光驱动离子泵体系。该离子泵体系可用于太阳能收集，单个泵（膜）最高可实现550 mV的开路电压。
图1. 碳化氮纳米管膜用于仿生光驱动离子泵示意图。
研究难点和关键要素
电子体系是人工智能发展的基石，但是智能生命体系却依靠电子/离子复合体系运转。如何实现高度仿生的基于离子传输的能源和传感体系，从而实现智能生命-人工智能的连接点是一个亟待解决的问题。而仿生光驱动离子泵又是其中一个非常重要的环节，要想实现这一功能，必须满足以下两个必须点：
[1] 所用材料必须具有很好的光吸收性能
[2] 必须构筑合适的纳米结构适合离子传输
要点1：材料选择和结构构筑
在众多材料中，研究人员选择了碳化氮（g-C3N4）半导体。g-C3N4是由地球上最丰富的两种元素：碳和氮构成，由于其优异的可见光光催化性能，近年来被广泛用于催化，能源，传感等领域。研究人员选用AAO作为模板，借助简单的气相沉积聚合构筑了碳化氮纳米管膜，纳米管内外直径可通过实验手段精确控制，从而适用于离子传输。
图2. 碳化氮纳米管膜结构表征。
要点2：泵性能研究及机理解释
由于在聚合过程中存在大量的亚氨基，构筑的碳化氮纳米管膜表面是带一定的负电荷。当将其置于一定的KCL浓度梯度时（膜右侧高浓度，左侧低浓度），由于浓差电势的存在，可以观察到一定的正向电流；但是当在低浓度一侧加光照时，研究人员发现，离子电流和电压的方向都发生改变。并且该电流和电压大小和光照强度有密切关联，在380 mW/cm2模拟太阳光照射下，其最高可以实现5000倍浓度梯度下的电流反转，即离子泵性质。除此之外，不同能量（颜色）的单色光对泵的性能影响密切，并和g-C3N4材料的光吸收性质一致。
图3. 100倍浓度梯度下离子泵电流和电压。
图4. 仿生光驱动离子泵的变量研究。
研究人员认为非对称的单侧光照是引起“泵”性质的主要原因。无光照时，由于双电层效应的影响，阳离子会从高浓度到低浓度通过带负电的纳米管。当光从膜低浓度一侧照射时，半导体g-C3N4中载流子的分离与传输会改变纳米管内部表面电荷性质：即光照一侧变为带正电。这种非均匀分布的表面电荷会驱使溶液中离子的定向传输，即阳离子从低浓度向高浓度输运。这就是“泵”的根本来源。
图5. 仿生光驱动离子泵的机理解释及验证。
要点3：光电转换性能
当用于太阳能能源转换，g-C3N4纳米管两侧电解质浓度都为1mM KCl时，单个器件可以实现最高550 mV的开路电压和2.4 μA/cm2的短路电流。该离子电流和电压还可以通过串并联多个器件实现进一步的放大。
图6. 仿生光驱动离子泵用于光电能源转换。
图7. 光强度对光电能源转换的影响。
小结
总之，这项研究第一次实现了可媲美生物离子泵的仿生光驱动离子泵，并提供了一种简洁、便宜的太阳能收集新思路。
参考文献：
Xiao K, Chen L, Chen R, etal. Artificial light-driven ion pump for photoelectric energy conversion[J].Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-018-08029-5
https://www.nature.com/articles/s41467-018-08029-5
作者简介：
肖凯 德国马普胶体界面所博士后，洪堡学者。2012年本科毕业于吉林大学化学学院，获工学学士学位。同年保送至中科院化学所攻读博士学位，师从江雷院士，2017年获物理化学博士学位。2017年8月起获德国洪堡基金会资助，于马普胶体界面所做博士后研究，合作导师Markus Antonietti。主要研究方向：基于离子传输的能源和传感体系。至今在Nat. Commun.，Sci. Adv.，Angew.Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.等学术期刊发表论文30余篇。
