Green plants convert sunlight into high-energy chemicals by coupling solar-driven water oxidation in the Z-scheme and $CO_2$ fixation in the Calvin cycle. In this study, formate dehydrogenase from Clostridium ljungdahlii (ClFDH) is interfaced with a $TiO_2$-coated $CuFeO_2$ and $CuO$ mixed (ClFDH–$TiO_2$|CFO) electrode. In this biohybrid photocathode, the $TiO_2$ layer enhances the photoelectrochemical (PEC) stability of the labile CFO photocathode and facilitates the transfer of photoexcited electrons from the CFO to ClFDH. Furthermore, inspired by the natural photosynthetic scheme, the photobiocathode is combined with a water-oxidizing, $FeOOH$-coated $BiVO_4$ ($FeOOH$|$BiVO_4$) photoanode to assemble a wireless Z-scheme biocatalytic PEC device as a semi-artificial leaf. The leaf-like structure effects a bias-free biocatalytic $CO_2$-to-formate conversion under visible light. Its rate of formate production is 2.45 times faster than that without ClFDH. This work is the first example of a wireless solar-driven semi-biological PEC system for $CO_2$ reduction that uses water as an electron feedstock.
녹색 식물은 태양광에 의해 구동되는 Z-scheme에서의 물 산화 (명반응)와 Calvin 회로에서의 이산화탄소 고정 (암반응)을 통해 태양 에너지를 고 에너지의 화학 물질로 변환한다. 본 논문에서는 이산화 티타늄 막이 코팅된 구리 산화물 광전극에 텅스텐 금속 활성 중심을 갖는 포름산염 탈수소 효소를 고정한 생체 촉매 전극을 보고한다. 구리 산화물 광전극의 안정성을 향상시키고 광전자 분리 효율을 높이기 위해 이산화 티타늄 층을 코팅하였으며, 이러한 바이오 하이브리드 광전극을 물을 산화시키는 비스무스 바나듐 산화물 광양극과 결합하여, 외부 인가전압 없이 물과 태양광을 활용하여 이산화탄소를 포름산염으로 고정시키는 무선 장치 (인공 나뭇잎)를 개발하였다.
