将太阳能转化为清洁的化学燃料如氢（H₂），有望推进循环经济可持续发展。而使用半导体作为光吸收剂和酶作为氧化还原催化剂的组合为光驱动的可持续化学合成提供了一种新途径。然而，实现这种半人工系统的设计需要对非生物-生物界面的全面理解，这带来了重大挑战。

英国剑桥大学Erwin Reisner教授团队牵头提出了一种与CN_X生物整合的方法，通过展示与酶的静电相互作用来形成功能性的生物杂交组装。具体而言，本研究将带负电荷的^NCNCN_X与含有不同表面电荷的H₂酶偶联，实现了在没有外部电子继电器的情况下进行体外光催化制氢。研究人员首先采用三聚氰胺和硫氰酸钾合成^NCNCN_X光催化剂，然后用[FeFe]-H₂ase与^NCNCN_X结合构建太阳能制氢与选择性醇氧化耦合的光催化体系。利用^NCNCN_X|[FeFe]-H₂ase配合物进行时间依赖性研究，在最初的4小时内，H₂产量几乎呈线性增长，达到3.0±0.3 mmol，转换频率（TOF）为18 669 h⁻¹。^NCNCN_X|[FeFe]-H₂ase组装体在连续照射24 h下，得到7.9±0.6 mmol的H₂（TON = 198125）。高效界面电子转移（DET）可归因于界面处特定的静电相互作用。为了深入了解^NCNCN_X与H₂ase之间的相互作用，采取石英晶体微天平（QCM）定量控制，分析表明吸收的[FeFe]-H₂ase具有带正电的远端FeS簇，可以特定地与带负电的^NCNCN_X相互作用以产生DET。采用三电极结构进行了光电化学阻抗谱（PEIS）研究了H₂ase和^NCNCN_X之间的载流子动力学，对CN_X与H₂ase的阻抗研究表明，特定的相互作用可以通过降低电荷转移电阻（R_ct）和增加电荷转移的一级速率常数（k_ct）来实现有效的DET。随后利用强度调制光电压谱（IMVS）在三电极条件下进一步研究了H₂ase和^NCNCN_X之间的载流子动力学，研究假设了光产生的电子可以以金属氢化物和还原的FeS簇的形式存储在H₂ase中，即H₂演化反应的可逆中间体。这种存储机制降低了电荷与空穴复合的可能性，从而延长了电子寿命。IMVS观测结果与最近关于电子积累对^NCNCN_X中电荷重组影响的瞬态光谱研究一致，因此，证明了IMVS在氮化碳材料和生物杂化研究中的应用。最后基于此假设，在了解电荷重组后，研究进行了瞬态光电流谱(TPC)测量，[FeFe]-H₂ase与^NCNCN_X的整合导致电子传递时间从0.28 s显著降低至0.16 s。这表明[FeFe]-H₂ase作为^NCNCN_X的共催化剂，可以有效地为析氢反应（HER）收集光电子，从而促进^NCNCN_X内的电子传递。IMVS和TPC的综合结果表明，[FeFe]-H₂ase和^NCNCN_X之间的DET对电荷重组和输运都有良好的影响。该研究为生物材料界面上载流子动力学提供了深刻的见解。为未来光催化混合组件的发展提供了全面的认识。

研究报道了一种用半导体作为光吸收剂和酶作为氧化还原催化剂的组合为光驱动的可持续化学方法的提供了一种策略。利用静电相互作用，将带负电荷的氰酰胺修饰的石墨氮化碳(^NCNCN_X)与具有正电荷的[FeFe]-氢化酶连接在远端FeS簇周围，负责将电子吸收到酶中。强大的静电吸引使太阳能氢（H₂）通过直接界面电子转移（DET）高效生产，实现了4个小时内的转换频率（TOF）为18669 h⁻¹，24小时内的转换数（TON）为198125。通过将CN_X与H₂ase结合，结合了人工和生物方法的优势，从而获得了两种系统都无法单独实现的独特性能。这种整合为探索协同效应开辟了新的途径，并在太阳能转换和催化方面开启了前所未有的可能性。相关研究成果发表于Chemical Science。