微生物电化学/光电化学二氧化碳还原是解决可持续燃料生产环境需求的一个新兴技术。纳米材料对电能和太阳能驱动的微生物二氧化碳还原系统有着至关重要的影响。南京大学王元元教授、张剑荣教授和南京邮电大学周旸教授团队就纳米材料促进微生物二氧化碳还原转化效率的策略进行分析和概括，重点从提高纳米材料的化学稳定性、电导率和生物相容性等方面全面总结了用于增强细菌粘附和细胞外电子转移过程的纳米材料结构和设计的最新进展。同时，本文还介绍了非光合微生物利用光电阴极进行太阳能转化到化学能的研究进展，以及目前在光合半导体纳米材料-细菌杂化界面上对胞外电子传递机制的认知。文章探讨了影响微生物二氧化碳还原系统性能的关键因素及未来发展方向，为实现微生物二氧化碳还原系统的大规模应用提供一定的指导。

人类活动释放的二氧化碳不仅是造成诸多气候问题的主要原因，同时也被认为是一种丰富和重要的可再生碳源。微生物二氧化碳还原技术由于其制备简单、反应条件温和、产物选择性高、环境可持续性强等优点而受到广泛关注。本文综述了基于不同类型微生物二氧化碳还原系统中纳米材料改性策略在提高细菌粘附力和胞外电子传递效率方面的最新进展，以及影响其能量转换效率的主要因素；详细总结和归纳了这些改进策略所获得的材料性能、电流密度、还原产物产率和还原效率等参数，有助于进一步提高微生物二氧化碳还原系统的能量转化效率，促进未来该技术的实际应用。

常见制备用于微生物{attr}3130{/attr}系统的纳米材料主要有碳纳米管、金属/合金和{attr}3107{/attr}等。其中，以修饰多孔材料为例，如金属泡沫、网状玻璃炭 (RVC) 或多孔中空纤维 (PHF) 是提高微生物电合成系统电流密度和化学品生产速度的有效方法。此外，以多孔材料为基底的阴极可以提高传质效率，并允许细菌穿透电极的内部。

近年来，利用太阳能作为一种可持续能源，为微生物二氧化碳还原过程提供外源电子，引起了人们的广泛关注。具有纳米结构的光电阴极材料，特别是硅纳米线，由于其出色的比表面积、可见光吸收能力和生物相容性，在微生物光电化学系统中已取得突破性的进展，证明了光电化学驱动微生物二氧化碳还原乙酸的高选择性。

半导体-细菌杂化光合系统是一种新兴的微生物二氧化碳还原技术，耦合了半导体纳米材料优良的光电性能和非光合微生物的产物高选择性还原能力，确保了高能量转换效率和持久的稳定性。与光伏驱动的微生物电合成系统和光辅助的微生物光电化学系统相比，尽管该系统的能量转换效率似乎并不是很高效，但是，这项技术可能比上述基于电极装置的系统更经济有效，且无需使用高纯度的试剂，复杂的材料修饰过程，以及与细菌的兼容性等问题。

微生物二氧化碳还原系统作为一种可持续的、环保的技术，对其在合成各种化学品的过程中进行了广泛的探索。然而，在探寻新型电活性微生物、了解胞外电子传递机理、实现大规模微生物二氧化碳还原反应器等方面的系统性研究尚不多见，并且相关操作参数也未得到优化。细菌胞外电子通过两种方式进行传递：生物纳米线在电极表面进行直接电子转移和氧化还原电子媒介或细胞外氢气进行间接媒介电子转移。然而，这两种机制的低效率导致电催化能力和转化率不足，成为制约其大规模应用和合成产物多样性的主要瓶颈。此外，传统的基底电极（如碳布和不锈钢）由于其较差的比表面积和生物相容性，限制了其与电活性微生物的相互作用。因此，通过引入同时具有层级结构、导电性好、比表面积大和生物相容性高等优势的新型纳米材料，可以对细菌黏附和二氧化碳能量转换效率等方面起到促进作用；同时，纳米材料修饰策略还能有效降低电极向细菌传递电子的活化能阈值，极大地提高细菌的胞外电子传递效率。