利用太阳能的新方法:通过改变植物中的光合作用

文章作者:bianji3 | 2018-09-05
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  人工光合作用技术是指研究人员仿效自然界的光合作用,利用纳米大小的光感应材料将光能转换成电能,由此产生氧化还原酶反应。简而言之,这是一种利用光能生成精密化学物质的技术。这种人工光合作用技术有望成为绿色生物工程研发的开端,凭借该技术能够利用太阳能生产具有高附加值的各种精密药品。

  在研究人员通过改变植物中的光合作用,成功地将水分解为氢和氧之后,寻求利用太阳能的新方法,又向前迈出了一步。据外媒报道: 剑桥大学的科学家们,开发出了一种新型光电化学电池。他们将一套吸收红光和蓝光的系统,与一种特殊的酶(氢化酶 / Hydrogenase)联系了起来。 论文一作、圣约翰学院博士生 Katarzyna Sokó? 表示,它有望成为一个开发太阳能技术的极佳平台。

这套人工光合装置,据说可吸收比自然光更多的能量。

  光合作用是职务将太阳光转化为能量的过程。当植物吸收的水被“裂解”时,氧气就成为了光合作用的“副产物”。

  它是地球上最重要的反应之一,为这颗星球供应了氧气来源。水解产生的氢气,有望成为绿色且无污染的‘无限再生’能源。

  由剑桥大学领导的这项新研究,使用半人工光合作用来探索生产和储存太阳能的新方法。

  科学家们混合利用了自然阳光、生物成分、以及人造技术,将水转化成了氢气和氧气,该研究有望革新可再生能源的生产系统。


研究配图 - 1:用于无辅助整体水分解的半人工串联PEC系统。

发表在《自然·能源》期刊上的一篇论文, 概述了剑桥大学化学系 Reisner 实验室的学者们,是如何 开发 他们的平台、以实现无辅助太阳能驱动水分解的。

  与自然光合作用相比,新方法能够吸收更多的太阳光 —— 自然光合作用的效率不高,植物的进化,仅仅是为了满足其生存所需,对能量的需求并不高。

  一方面,自然光合作用的转换和存储效率,只发挥了 1~2% 的潜力。 另一面,尽管人工光合作用的研究已经持续了数十年,但尚未有人成功将之用于制造可再生能源。

  此前的人工光合作用,多依赖于催化剂的使用 —— 不仅昂贵、还有毒 —— 这意味着相关研究结果难以扩展至工业化的水平和规模。


研究配图 - 2:PF-PEC 联用 PSII 染料光电阳极。

  剑桥研究的新兴技术,则是采用了半人工、半自然的方法。 其旨在通过酶的使用,来产生所需的反应,以完全克服人工光合作用的局限性。

  Sokó? 和研究团队不仅改善了产生和储存的能量,还设法重新启动了已经蛰伏了数千年的藻类过程。

  她解释到:“ 氢化酶是一种存在于藻类中的酶,它能够将质子还原成氢气。 在进化的过程中,这个过程已被停用,因为它不再是生存所必须”。

  好消息是,研究团队成功绕过了这一点,并实现了想要的反应 —— 将水裂解为氢气和氧气。


研究配图 - 3:染料光电阳极的光电流作用谱。

  Sokó? 希望凭借这项发现,开发出用于太阳能转换的新颖创新模型系统。 该模型是第一个成功使用氢化酶和光系统来创建纯太阳能驱动的半人工光合作用模型。

  令人兴奋的是,我们可以有选择地指定想要的流程,并实现所需的反应,这种反应本质上是很难接近的。

  这有望成为开发太阳能技术的一个极佳平台,通过与其它反应相结合,可以学习、构建合成更强大的太阳能技术。


研究配图 - 4:半人工 PEC 单元的水分解。

  Rewin 实验室主任、剑桥大学圣约翰学院院士、 论文合著者之一的 Erwin Reisner 博士表示,这是一项里程碑式的研究。

  这项工作克服了许多与将生物和有机成分整合到无机材料中,以组装半人工装置的相关难题,并开辟了开发未来太阳能转换系统的工具箱。
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