Nature Material: エアロゾルジェット技術を使用して階層型マイクロカラム電極を作成し、光合成細菌の発電を支援

Antarctic Bearは、2022年3月7日にケンブリッジ大学の研究者がNature Materialに積層造形技術に関する研究を発表したことを知りました。研究は主に以下の3つの側面に分かれています。
● ITOナノ粒子からなるマイクロピラー電極を効率的かつ再現性よく製造するためのエアロゾルジェット印刷法を開発しました。この印刷方法により、5 桁に及ぶ調整可能な構造を一度に作成できるため、他の製造方法では実現不可能な階層型マイクロピラーアレイ電極が実現します。
●研究者らは、マイクロピラーの高さと表面粗さを変えることで、さまざまな長さスケールで電気活性表面積を調整し、その性能を最先端のIO-ITO電極と比較しました。
● 電極の構造と活性の関係についての現在の理解を広げ、新世代の高性能光合成電極を生み出しました。
研究背景:
生体触媒は、バイオテクノロジーの応用や基礎研究のために、電極に電気化学的に接続することができます。特にシアノバクテリア（光合成細菌）は光合成によって電気を生み出すことができる生体触媒です。現在、シアノバクテリアを太陽光発電に利用する半人工的な方法はまだ初期段階にあり、シアノバクテリア電極から得られる光電流密度は340μm·cm-2～2400μm·cm-2です（エネルギー変換効率は工業用バイオ燃料生産よりも高い）。しかし、シアノバクテリア電極によって生成された光電流はこの値よりも2桁低かった。より大きな光電流を得るためには、通常、光合成電子伝達系からの電子の収集を最大化するために電子メディエーターを人工的に配置する必要があります。電流出力のボトルネックは電極自体にあります。
光電気化学反応では、電極構造は大きな触媒サイズと低い全体負荷のバランスをとる必要があります。タンパク質および生体膜の光電気化学における最も先進的な電極構造は、さまざまな金属酸化物から作られた逆オパール (IO) 細孔構造です。より一般的に使用されているのは、一定の不活性、導電性、光散乱、生体適合性を示すインジウムスズ酸化物 (ITO) です。この研究では、階層構造におけるマクロ多孔構造（大きな電気活性表面積を提供し、生体触媒の浸透を促進する）と超微細構造（生体触媒の付着を促進する）の組み合わせが生体触媒の分布に重要であることが示されました。 IO-ITO電極上にPCC6803（Synechococcus）を固定することにより、光電流密度14μm·cm-2、外部量子効率2.7%が得られる。
電極設計の開発は、長い長さの次元にわたる階層型マイクロピラーアレイ電極を製造できる共通の製造技術の欠如によって妨げられてきました。
研究内容
1. マイクロピラーアレイ電極の印刷<br /> ITO 電極のエアロゾルジェット印刷エアロゾルジェット印刷は、高い設計柔軟性、解像度、材料堆積精度を備え、非接触直接書き込みにより金属ナノ粒子インクを印刷できる積層製造技術です。研究者らは、最適な印刷パラメータの下で特殊なインクを使用して階層型マイクロカラムアレイ電極を印刷し、ITOナノ粒子の滑らかなマイクロカラムアレイ（下の図（d））とITOナノ粒子の分岐したマイクロカラムアレイ（下の図（e））を得ました。
△マイクロピラーアレイ電極のエアロゾルジェット印刷。 (a) 印刷プロセスの概略図、(b) マイクロピラーを製造するための印刷パラメータ、(c) サブミクロンの粗さを製造するための印刷パラメータ、(d) 滑らかなマイクロピラー ITO (SP-ITO)、(e) 分岐したマイクロピラー ITO (BP-ITO)
2. マイクロピラーアレイ電極の主な特徴<br /> 研究者らは、透過率と散乱率のテストを通じて、シネココッカスを含む電極はマイクロカラムとマイクロブランチ構造を利用することで、より高い光収集能力を実現できることを発見した。
△(a) 裸電極と光の相互作用の模式図。 (b) 固定細胞と光の相互作用の模式図。IO-ITOと比較すると、SP-ITO上の細胞はより密に分布していますが、BP-ITO上の細胞は最も密に分布しており、シート状のバイオフィルムを形成できます。
△(g) 共焦点顕微鏡像 - 電極の断面、(h) 走査型電子顕微鏡像 - 電極の断面マイクロピラーの高さが 600μm まで増加すると、光電流密度は 245μA·cm-2 まで上昇し、外部量子効率は 29% まで上昇します。
△最適化されたシネココッカス担持BP-ITO電極（柱高600μm）の異なる強度の白色光条件下での光電気化学性能
3. 電極構造と活性の関係を調べる<br /> 研究者らは2つの比較を行った。
●同じITOナノ材料、高さ、幾何学的面積を使用して3つの異なる電極構造を作成し、比較しました。
●高さと表面粗さの異なるマイクロピラーITO電極の比較。
△電極構造活性相関の比較から、Synechococcus を搭載した BP-ITO 電極 (高さ 50μm) によって生成される媒介光電流密度は、Synechococcus を搭載した IO-ITO 電極の 2 倍であることが示されています。Synechococcus を搭載した BP-ITO 電極の光電流密度は 312A·cm-2 で、SP-ITO 電極の 212A·cm-2 よりも大幅に高くなっています。これは、マイクロブランチングによって EASA が大幅に向上したためです。
電極柱の高さは EASA と有意な正の相関関係を示しており、より高い柱の表面積が大きいほど Synechococcus の積載場所が増え、構造内の光捕捉性能が向上することを示唆しています。マイクロピラーの粗さと光電流密度の間には有意な相関関係はありません。マイクロ粗さは反射率と有意な正の相関関係があり、マイクロ粗さが好ましい光子効果をもたらすために重要であることを示しています。
要約:
ケンブリッジ大学の研究者らは、積層造形法を用いて層状の電極構造を印刷することで、付着する光合成細菌の量を増やし、より高い光電流を生成し、太陽エネルギー変換の効率を向上させ、現在の多くのバイオ燃料発電方法よりも優れた性能を発揮できることを発見した。
注：この記事の内容は若干調整されています。必要に応じて原文をご覧ください。オリジナル記事より引用: https://doi.org/10.1038/s41563-022-01205-5

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