蘇育德中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院特任研究員33歲

作為“先鋒者”入選的蘇育德的代表性工作，是納米材料與微生物納米新型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及其在人工光合作用與燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用。因其在微生物－納米交叉學(xué)科領(lǐng)域取得突破性成果，而成功入選“創(chuàng)新35人”。

獲獎(jiǎng)時(shí)年齡：33歲

獲獎(jiǎng)時(shí)職位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院的特任研究員

獲獎(jiǎng)理由：他開(kāi)創(chuàng)了一種獨(dú)特的單根納米線光電極平臺(tái)，研發(fā)了一種密堆積的固碳細(xì)菌—納米線復(fù)合電極，開(kāi)創(chuàng)性地提出了原位負(fù)載微生物催化劑的概念，提高微生物與納米材料之間的電子轉(zhuǎn)移效率。

建設(shè)可持續(xù)能源社會(huì)是目前世界各國(guó)的共同目標(biāo)，電化學(xué)與光化學(xué)體系在其中扮演著很重要的角色，而催化劑則是決定體系能量轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。

按照是否具有生物活性，催化劑可分為非生物催化劑和生物催化劑，常見(jiàn)的非生物催化劑包括金屬氧化物、有機(jī)金屬催化劑等，生物催化劑包括酶、微生物等。相對(duì)于非生物催化劑，生物催化劑的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)反應(yīng)物具有高選擇性，可省去反應(yīng)后產(chǎn)物的后續(xù)分離步驟。然而酶作為使用量較大的生物催化劑，在活體外穩(wěn)定性極差，環(huán)境因素（如溫度、pH值）對(duì)其活性影響非常大，有時(shí)工作壽命只有短短幾小時(shí)；微生物作為酶的活體載體，不僅具有酶催化的專(zhuān)一性和高效性等優(yōu)點(diǎn)，而且生存能力遠(yuǎn)超催化劑酶。

納米材料作為當(dāng)前炙手可熱的研究對(duì)象，其尺寸與電子的相干長(zhǎng)度以及光的波長(zhǎng)接近，加上較大的比表面積，表現(xiàn)出不同于宏觀物質(zhì)的性質(zhì)，例如小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等等。納米材料的這些特殊性質(zhì)使得其在各行各業(yè)得到廣泛關(guān)注與研究應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院的特任研究員蘇育德，在長(zhǎng)達(dá)十年的研究生涯中將微生物與納米材料進(jìn)行復(fù)合，致力于把微生物納米復(fù)合材料應(yīng)用到人工光合作用與燃料電池兩個(gè)領(lǐng)域。

蘇育德致力于微生物－納米新型復(fù)合材料的研發(fā)，用于電化學(xué)和光化學(xué)能量轉(zhuǎn)化。他開(kāi)創(chuàng)了一種獨(dú)特的單根納米線光電極平臺(tái)，可精確地測(cè)量單根半導(dǎo)體納米線的光電化學(xué)信號(hào)，最終得出“提高陣列中納米線光電極的微觀均一性是提高陣列宏觀性能的關(guān)鍵”這一結(jié)論；他通過(guò)優(yōu)化細(xì)菌與電極之間的界面，研發(fā)了一種密堆積的固碳細(xì)菌—納米線復(fù)合電極，在一周時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了效率達(dá)3.6%的“太陽(yáng)能至醋酸”的能量轉(zhuǎn)化，為地球上的碳平衡和火星的大氣轉(zhuǎn)變提供了可能；他開(kāi)創(chuàng)性地提出了原位負(fù)載微生物催化劑的概念，提高了微生物與納米材料之間的電子轉(zhuǎn)移效率。

提高陣列中納米線光電極的微觀均一性是提高陣列宏觀性能的關(guān)鍵

“我們選擇將納米材料跟微生物結(jié)合在一起是有一定原因的。一是納米材料有很高的比表面積，可以覆蓋更多的微生物；二是納米材料具有很獨(dú)特的光電性能，可以更好地利用光能和電能。另外，最重要的是，納米材料的結(jié)構(gòu)比較特殊，由于納米線材料與細(xì)菌相似的尺寸和形貌，細(xì)菌可以定向地識(shí)別并附著在納米線材料上。”鑒于納米線材料與細(xì)菌之間的特殊性，蘇育德針對(duì)納米線材料做了一些研究。

半導(dǎo)體納米線是很好的光電極材料，可以用作人工光合作用，一是因?yàn)榧{米線結(jié)構(gòu)的高比表面積可以提供更多的催化活性位點(diǎn)，降低光電化學(xué)反應(yīng)中的過(guò)電勢(shì)；二是納米線陣列的表面可以降低光的反射，增強(qiáng)光的吸收；三是納米線的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以使光的吸收途徑和載流子的遷移途徑正交。

單根半導(dǎo)體納米線光電極平臺(tái)示意圖（左），納米線光電化學(xué)信號(hào)（右）

而納米線光電極陣列中諸多微觀不均一性成為懸而未決的科研問(wèn)題，為了探索納米材料的微觀不均一性對(duì)其宏觀光電化學(xué)性能的影響，蘇育德構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)特的單根半導(dǎo)體納米線光電極體系，可以精確地測(cè)量單根半導(dǎo)體納米線的光電化學(xué)信號(hào)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米線陣列的性能是由陣列里最差的單根納米線決定的。證明了半導(dǎo)體納米線材料的微觀不均一性會(huì)降低材料的宏觀性能，這一結(jié)論也適用于其他通過(guò)并聯(lián)構(gòu)筑的納米功能材料。

這項(xiàng)工作蘇育德在2016年以第一作者發(fā)表在《自然納米技術(shù)》期刊，劍橋大學(xué)歐文·萊斯納教授高度評(píng)價(jià)了這篇工作論文中的尖端納米技術(shù)。

把火星變成一個(gè)更適合人類(lèi)居住的星球

蘇育德認(rèn)為火星移民是未來(lái)一個(gè)很重要的方向，對(duì)此他深感興趣，“幾十億年前地球上還是以二氧化碳為主，那么藍(lán)藻的出現(xiàn)逐漸增加了地球上的氧氣含量，從而出現(xiàn)了有氧微生物，然后是爬行動(dòng)物，然后才是哺乳動(dòng)物。那么現(xiàn)在我們希望來(lái)模擬地球上幾十年億前的這一過(guò)程，把我們的體系帶到火星上去，然后改變火星的大氣成分，把火星變成一個(gè)更適合人類(lèi)居住的星球。目前火星上有98%的氣體成分是二氧化碳，為這種固碳細(xì)菌提供了比較好的工作環(huán)境，希望能把其帶上太空，先在宇宙飛船上工作，最終帶到火星，進(jìn)而希望最終能夠改變火星的大氣成分?！?/p>

當(dāng)然除了宏偉的外太空應(yīng)用目標(biāo)外，在地球上固碳細(xì)菌進(jìn)行人工光合作用也有比較好的產(chǎn)業(yè)化前景。“在我們證明了細(xì)菌可以定向地識(shí)別并附著在納米線材料上后，下一步就是把固碳細(xì)菌負(fù)載到納米線電極中?！?/p>

固碳細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)包括對(duì)反應(yīng)物的高選擇性、高催化活性、可以自我繁殖并自我修復(fù)能力（酶所不具有的）等。用固碳細(xì)菌作為催化劑，實(shí)現(xiàn)高選擇性的光化學(xué)/電化學(xué)二氧化碳還原，其中細(xì)菌與電極之間的界面，是決定電子轉(zhuǎn)移和二氧化碳還原效率的關(guān)鍵。

密堆積的固碳細(xì)菌－納米線復(fù)合人工光合作用體系示意圖

蘇育德通過(guò)調(diào)控細(xì)菌負(fù)載量、電解液成分以及pH值，最終得到了一個(gè)密堆積的細(xì)菌—納米線復(fù)合電極。由于提高了界面的質(zhì)量和界面附近細(xì)菌的密度，密堆積的電極可以在長(zhǎng)達(dá)一周的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)效率達(dá)3.6%的“太陽(yáng)能至醋酸”的能量轉(zhuǎn)化，這個(gè)效率是目前報(bào)道的細(xì)菌催化人工光合作用中最高的效率之一。

美國(guó)著名科學(xué)評(píng)論員羅伯特·桑德斯高度評(píng)價(jià)這個(gè)復(fù)合體系在地球和火星上的應(yīng)用前景。如果固碳細(xì)菌—納米線復(fù)合電極可以在火星上工作，那么會(huì)在火星表面引入氧氣和有機(jī)物，這將對(duì)火星的大氣層演變以及對(duì)火星的進(jìn)一步探索產(chǎn)生重大意義。

將細(xì)菌燃料電池的發(fā)電效率提高150倍

產(chǎn)電細(xì)菌原位負(fù)載到三維水凝膠結(jié)構(gòu)中的復(fù)合體系

微生物種類(lèi)繁多，固碳細(xì)菌是把二氧化碳還原成有機(jī)物，另外一種產(chǎn)電細(xì)菌可以將有機(jī)物氧化成二氧化碳，能應(yīng)用于微生物燃料電池。與固碳細(xì)菌相似，微生物燃料電池也需要產(chǎn)電細(xì)菌與高比表面積的電極密切接觸，從而來(lái)提高電子轉(zhuǎn)移效率，目前廣為使用的方法是先構(gòu)筑一個(gè)高比表面積的電極，然后再負(fù)載細(xì)菌。這種方法容易導(dǎo)致微生物在電極孔道處產(chǎn)生堆積，負(fù)載效率比較低。

之前人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把酶與MOF的前驅(qū)體混在一起，在合成MOF時(shí)酶會(huì)原位負(fù)載到MOF微小的孔道中。蘇育德從酶的原位負(fù)載延伸出原位負(fù)載生物催化劑的概念，通過(guò)溶膠凝膠法將產(chǎn)電細(xì)菌原位負(fù)載到共軛聚合物三維水凝膠納米結(jié)構(gòu)中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。這樣的原位制備的復(fù)合體系優(yōu)化了產(chǎn)電細(xì)菌與聚合物之間的界面，將燃料電池的發(fā)電效率提高了150倍。

蘇育德通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，原位法制備的產(chǎn)電細(xì)菌聚合物復(fù)合體系是一個(gè)性質(zhì)和功能可以隨著外界刺激而變化的智能體系。當(dāng)在電解質(zhì)中加入或者去除鎂離子時(shí)，它的功能會(huì)在燃料電池與超級(jí)電容器之間進(jìn)行可逆地轉(zhuǎn)換。這個(gè)刺激－響應(yīng)型設(shè)計(jì)，使同時(shí)具備發(fā)電與儲(chǔ)電功能的智能能源器件成為了可能。

可以穿在身上的微生物燃料電池

可穿戴的微生物燃料電池纖維

目前科研界炙手可熱的新秀—可穿戴器件（如生物傳感器、電子皮膚），都需要電池的供給，而常用的鋰離子電池需要經(jīng)常更換，降低了可穿戴器件的智能性，所以希望能夠用到人體自供能體系，利用人體本身產(chǎn)生的能量，在體表進(jìn)行發(fā)電。

產(chǎn)電細(xì)菌可以實(shí)時(shí)地、可持續(xù)地利用皮膚表面汗液中的生物質(zhì)（包括乳酸、葡萄糖、尿素和氨）在體表進(jìn)行發(fā)電。將可穿戴的微生物燃料電池做成纖維狀，一端負(fù)載微生物和一些微生物的載體作為纖維微生物燃料電池的陽(yáng)極，在纖維的另一端負(fù)載一些可以還原氧氣的催化劑作為纖維微生物燃料電池的陰極，中間纖維不負(fù)載任何物質(zhì)作為等效的離子半透膜，在一根纖維上實(shí)現(xiàn)了微生物燃料電池的功能，將上述纖維編織在人的衣服上，能夠?yàn)榭纱┐髌骷丛床粩嗵峁╇娔堋?/p>

然而，蘇育德發(fā)現(xiàn)由于微生物的代謝會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生變化，可穿戴微生物燃料電池的數(shù)字功率是不穩(wěn)定的，實(shí)際應(yīng)用要求輸出的功率相對(duì)穩(wěn)定，所以要把可穿戴微生物燃料電池的電能先收集起來(lái)，然后再以一個(gè)恒定的功率釋放出去。

蘇育德研發(fā)了一種可穿戴的超級(jí)電容器體系，該體系基于一種特殊的有機(jī)分子共軛聚電解質(zhì)。此共軛聚電解質(zhì)具良好的電導(dǎo)率和離子導(dǎo)電率，同時(shí)具有靈活可控的分子結(jié)構(gòu)和生物兼容性，容易形成水凝膠結(jié)構(gòu)，蘇育德認(rèn)為這種材料將是制備柔性可穿戴超級(jí)電容器的理想電極材料。

目前，在微生物—納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備上還有很多科學(xué)問(wèn)題以及工程問(wèn)題需要解決。科學(xué)問(wèn)題，包括如何在微觀世界探測(cè)電子從納米線到細(xì)菌，從細(xì)菌到聚合物材料的轉(zhuǎn)移過(guò)程，需要一些原位的光譜手段或者近程的原位電化學(xué)手段來(lái)進(jìn)行探測(cè)。工程領(lǐng)域的問(wèn)題，如需要提高固碳細(xì)菌的工作時(shí)間，由細(xì)菌的壽命所決定，目前研發(fā)的體系最多只能工作1個(gè)月左右。蘇育德希望可以與一些合成生物學(xué)的專(zhuān)家進(jìn)行合作，通過(guò)改變微生物的基因來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作時(shí)間的延長(zhǎng)。

蘇育德最后表示，會(huì)延續(xù)自己的科研特色，對(duì)微生物—納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)進(jìn)行大膽的創(chuàng)新，讓這類(lèi)新型復(fù)合材料在能源、催化、外太空探索、環(huán)境治理、可穿戴器件等更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。