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Green Carbon文章 | 武汉工程大学杨欢、王涛教授:微生物助力绿色电催化剂的合成与应用

2026-08-28 20:52:08

Green Carbon

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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.

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题目：Role of microorganisms in electrocatalysts for energy applications recent progresses

作者：Yujie Peng, Jiahui Hua, Xiaofen Huang, Kaige Yu, Tao Wang*, Huan Yang*

背景介绍

Background

面对全球能源转型和碳中和的迫切需求，发展高效、绿色的电催化剂已成为清洁能源技术突破的核心。然而，传统催化剂依赖高温、高压等苛刻制备工艺，存在能耗高、成本大、结构难调控等瓶颈，严重制约其规模化应用。自然界中，微生物不仅可作为“活体催化剂”直接参与能量转换，还能通过自身的腐蚀、氧化还原等代谢过程，在温和条件下合成高性能催化材料。此外，其自身结构能够作为催化剂合成的模板，实现能源材料的绿色制造，为电催化领域提供了全新思路。

近日，武汉工程大学杨欢、王涛教授于Green Carbon发表题为“Role of microorganisms in electrocatalysts for energy applications recent progresses”综述文章，系统梳理了微生物在电催化中的三重角色：作为活体生物催化剂、作为无机催化剂的生物合成平台，以及作为结构模板用于设计非生物催化剂。文章从微生物的腐蚀、氧化还原、代谢及模板效应出发，结合“结构-活性 - 性能”关系，深入论述了其在电解水制氢、二氧化碳还原等催化反应中的应用进展，为构建下一代高效、可持续的电催化体系提供了理论支撑。

文章简介

Introduction

简要介绍

本文系统概述了微生物在电催化领域中的作用及其应用在能源转化与环境修复中的研究进展。首先，针对传统电催化剂合成过程中能耗高、条件苛刻等问题，分析了微生物在可持续电催化体系构建中的潜在优势。其次，总结了微生物在电催化中的三类功能：作为活体生物催化剂直接参与关键电化学反应、作为无机电催化剂的生物合成平台以及作为非生物电催化剂的结构模板。进一步总结了其在清洁能源转化反应中的应用进展。最后，归纳了微生物在电催化材料筛选、电子传递机制与规模化应用方面面临的挑战，并展望了通过机器学习、合成生物学及多尺度反应器设计等策略推动该领域发展的未来方向。

微生物作为活体生物催化剂

微生物作为活体催化剂，其核心优势在于其固有的酶催化系统与独特的胞外电子传递能力。以硫还原地杆菌、希瓦氏菌为代表的电活性微生物，可通过细胞膜上的C型细胞色素等蛋白，直接或间接（借助黄素、吩嗪等介质）与电极进行双向电子交换，从而在微生物燃料电池、微生物电解池等系统中直接驱动析氢反应、二氧化碳还原反应等电催化过程。目前，通过合成生物学手段能够强化其电子传递效率，例如，通过CRISPR-Cas9技术调控C型细胞色素的表达，或将导电菌毛基因导入高产菌株，从而显著提升系统的电流密度与功率输出。这些策略不仅揭示了微生物作为高效活体电极的巨大潜力，也为构建新型生物混合电催化系统奠定了基础。

微生物作为无机催化剂的生物合成平台

微生物能够通过其代谢活动，在绿色、温和的条件下合成高性能无机催化材料。微生物腐蚀和氧化还原特性能够创新性地用于构筑先进电催化剂。例如，杨欢教授团队利用硫酸盐还原菌在厌氧条件下腐蚀镍泡沫，能够原位生成硫化物修饰的镍铁氢氧化物，用于高效的氧析出反应（图1）；此外，好氧的铁氧化菌可通过氧化Fe(II)促进Fe₂O₃沉积，构建铁氧化物/羟基氧化物异质结，从而优化反应中间体的吸附能，降低过电位。这类“自上而下”的生物腐蚀工程技术，为制备高效的过渡金属基催化剂提供了新方向（图2）。

图1. （a）硫酸盐还原菌腐蚀制备催化剂的示意图；

（b）高分辨率透射电子显微镜图像，比例尺：2 nm；

（c）不同样品的拉曼光谱

图2. （a）铁氧化菌腐蚀制备催化剂的示意图；

（b-c）制备样品的高分辨透射电子显微镜图

此外，微生物的氧化还原特性可使其体内丰富的氧化还原酶（如硝酸还原酶、细胞色素）及代谢产物（如多糖、蛋白质）作为绿色还原剂或稳定剂，用于合成金属纳米颗粒（如Au、Pd）及金属氧化物/氢氧化物（如ZnO纳米花）（图3）。对比传统化学合成，微生物合成法具有条件温和、分散性好、无需外加强还原剂或表面活性剂等优势，简化了纳米材料的制备流程。

图3. 微生物利用氧化还原特性合成金属纳米颗粒

及金属氧化物/氢氧化物

微生物作为设计非生物催化剂的结构模板

微生物丰富的形态结构（如球形、杆状、螺旋状、多孔硅藻壳体）以及固有的元素组成（富含C、N、P、S等），使其成为制备高性能非生物催化剂的理想模板或前驱体。一方面，微生物的形态结构可直接作为“硬模板”，经热解或化学处理后，形成具有高比表面积、多级孔道的碳基材料（图4a）。如以硅藻为模板制备纳米结构硅电极，或以M13噬菌体为模板构建Pt-Ni(OH)₂纳米网络。另一方面，微生物生物质可作为“软模板”兼“杂原子源”，在热解过程中其自身的N、P、S等元素原位掺杂到碳骨架中，产生大量活性位点（图4b）。例如，利用酵母细胞同时作为碳源、氮源和磷源，可合成出N/P共掺杂碳限域的金属磷化物催化剂，用于高效的析氢反应。这种将生物模板与生物质前驱体的本征活性相结合的策略，实现了催化性能的显著提升。

图4. 微生物作为非生物催化剂的结构模板

微生物在电催化中的应用

基于微生物作为活体催化剂、无机材料合成平台及结构模板的特性，微生物在析氢反应、析氧反应、氧还原反应及二氧化碳还原反应等关键能源转化过程中展现出显著潜力。在还原反应中，微生物通过其特有的胞外电子传递能力，能够实现高效产氢或氧还原反应。对于二氧化碳还原反应，通过构建微生物-电极杂化体系，沼泽红假单胞菌TIE-1可利用电极电子将CO₂转化为正丁醇，而经电子摄取能力强化的希瓦氏杆菌则实现了CO₂向甲酸的高效转化。此外，基于微生物的结构模板与元素供体特性，经热解转化为多孔碳或M–N–C类催化剂，其氧还原活性与稳定性接近甚至优于商用Pt/C。在析氧反应方面，尽管活体微生物难以直接参与强氧化反应，但硫酸盐还原菌和铁氧化菌腐蚀原位构筑的镍铁基过渡金属基催化剂呈现出高效的析氧活性，展示了微生物调控界面电子结构的独特优势。

总结与展望

本文综述了微生物在电催化领域中的多重功能及其在能源转化与环境修复中的应用前景，然而，微生物筛选受限、胞外电子传递机理尚不清晰及规模化应用困难仍制约其发展。未来研究应聚焦：构建“微生物–材料匹配”数据库并结合机器学习实现精准设计；利用合成生物学与多组学手段解析并调控电子传递路径；推进反应器工程放大与系统集成。同时，原位表征技术与理论计算的协同将为揭示结构–性能关系提供重要支撑。

作者

Author

杨欢教授

杨欢，武汉工程大学教授，博士生导师，荣获湖北省“楚天英才”，Green Carbon青年编委。主要从事结构功能材料合成及其在光电催化、腐蚀电化学、高分子塑料回收与升级等领域的研究工作。以第一/通讯作者在PNAS， Nat. Commun. (高被引，热点论文)， Adv. Funct. Mater.，等国际期刊上发表学术论文30余篇，申请发明专利4项。

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论文信息

Yujie Peng, Jiahui Hua, Xiaofen Huang, Kaige Yu, Tao Wang and Huan Yang. Role of Microorganisms in Electrocatalysts for Energy Applications: Recent Progresses[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.06.001

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供稿：华佳慧博士后

（武汉工程大学）

编辑：Green Carbon期刊中心

审核：Green Carbon 期刊中心

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关于

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。