Semiconductor / photosynthetic-protein electron transfer (biohybrid electrodes)
반도체 / 광합성 단백질 전자 전달 (바이오하이브리드 전극)
여기된 반응 센터와 반도체 전도대/가전자대 사이의 직접적인 전자 주입 또는 추출; 광전류 방향은 상대적인 밴드 정렬에 의해 결정됨 (see Kim et al., Nanotechnology (2014), §3.2, §4, Fig. 5).
- 양극 모드: 반도체 CB가 RC* 준위 아래에 위치할 때 여기 상태 RC*가 전자를 반도체 CB로 주입하며, 매개체가 RC를 재공급함.
- 음극 모드: VB가 RC의 바닥 상태 환원 전위보다 높을 때 RC가 VB로부터 전자를 수용함.
- 배향 제어가 핵심적임 (His-태그 또는 공유 화학): 동일한 RC라도 전극과 접촉하는 면에 따라 극성이 전환되기 때문임.
리뷰에 정리된 기준 광전류: PSII / 메조다공성-ITO 1.6 ± 0.3 mA cm⁻²; PSI / TiO₂ (생체모방) ~170 µA cm⁻²; 틸라코이드 / MWNT 68 µA cm⁻² (§4.1–4.6). 나노구조화된 적철석 위의 C-피코시아닌은 순수 박막 대비 광전류를 2배 증가시켜 (§4.5), 이 바이오하이브리드 개념을 hematite-photoanode PEC 계보와 연결함.
기질: photosystem-I, photosystem-II, bacterial-reaction-center. 반도체 전극은 다단계 생물학적 전자 캐스케이드의 합성 유사체로서, RC 전하 분리가 생물학적 효율의 전형인 bioinspired-multistep-energy-transduction의 사례에 해당함.
최초의 완전 고체 상태, 희생 시약 불필요 실증 (paper_048, 2015): hybrid-Z-scheme-charge-relay에서 BiVO₄는 Au/Ag 매개체를 통해 전도대 전자를 PtPSI로 주입하며, PSI 루멘 측의 Lys 잔기를 통한 공유 결합 Lys 연결이 생체 내 플라스토시아닌을 모방하는 직접 전자 전달 경로를 제공함; 연결된 시스템은 단순 혼합 성분 대비 ~34배 높은 H₂ 생성 속도를 달성함 (34 vs ~1 nmol h⁻¹; Fig. 6a, see Kim et al., Adv. Funct. Mater. (2015)).