基于生物学的系统直接利用太阳光的能量

2019-04-15 16:18:38
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麻省理工学院的一个研究小组已经找到了一种新方法来模仿植物利用太阳能来分解水分并使化学燃料为其生长提供动力的过程。在这种情况下,该团队使用一种改良的病毒作为一种生物支架,可以组装将水分子分解成氢和氧原子所需的纳米级组分。

分裂水是解决太阳能基本问题的一种方法:它只有在阳光普照时才能使用。通过使用太阳光从水中制造氢气,氢气可以随时储存和使用,以使用燃料电池发电,或者为汽车和卡车制造液体燃料(或直接使用)。

其他研究人员已经制造出利用太阳能电池板提供的电力来分解水分子的系统,但新的生物基系统会跳过中间步骤,并利用阳光直接为反应提供动力。4月11日在Nature Nanotechnology上发表的一篇论文中描述了这一进展。

由Germeshausen材料科学与工程和生物工程教授Angela Belcher领导的团队设计了一种名为M13的常见无害细菌病毒,以便吸引并与催化剂分子结合(团队使用氧化铱)和生物色素(锌卟啉)。病毒变成线状装置,可以非常有效地从水分子中分离出氧气。

然而,随着时间的推移,病毒丝会聚集在一起并失去其有效性,因此研究人员增加了一个额外的步骤:将它们封装在微凝胶基质中,因此它们保持了均匀的排列并保持其稳定性和效率。

虽然从水中获取的氢气是用作燃料的气体,但从过程中分离氧气是技术上更具挑战性的“半反应”,Belcher解释说,所以她的团队专注于这一部分。她说,植物和蓝细菌(也称为蓝绿藻)“已经进化出高度有组织的光合系统,有效地氧化水。” 其他研究人员试图直接利用植物的光合作用部分来利用阳光,但这些材料可能存在结构稳定性问题。

贝尔彻决定不借用植物的成分,而是借用他们的方法。在植物细胞中,天然色素用于吸收阳光,而催化剂则促进水分解反应。这是Belcher和她的团队的过程,包括新论文的主要作者,博士生Yoon Sung Nam决定模仿。

在团队的系统中,病毒只是作为一种脚手架,使颜料和催化剂排列成正确的间距,引发水分解反应。Belcher解释说,这些颜料的作用是“作为捕捉光线的天线”,然后将能量转移到病毒的长度,就像电线一样。病毒是一种非常有效的光收割机,这些附着卟啉。

“我们之前使用的是人们使用的组件,”她补充说,“但我们使用生物学为我们组织它们,因此您可以获得更好的效率。”

Nam说,使用病毒使系统自身组装可以将氧气生产的效率提高四倍。研究人员希望找到一个类似的基于生物学的系统来执行另一半的过程,氢的生产。目前,来自水的氢原子被分裂成它们的组分质子和电子; 该系统的第二部分,现在正在开发中,将它们组合成氢原子和分子。该团队还在努力寻找一种更常见,更便宜的催化剂材料,以取代这种概念验证研究中使用的相对稀有和昂贵的铱。

宾夕法尼亚州立大学材料化学与物理学教授托马斯·马洛克没有参与这项工作,他说:“这是一项非常聪明的工作,解决了人工光合作用中最困难的问题之一,即纳米级元件组织,以控制电子传输速率。“

他补充道:“在此之前或任何其他人工光合系统实际上可用于能量转换时,有一系列令人生畏的问题需要解决。” 他说,为了与其他太阳能方法相比具有成本竞争力,该系统需要至少比自然光合作用高10倍,能够重复反应10亿次,并使用更便宜的材料。“这不太可能在不久的将来发生,”他说。“尽管如此,本文所说明的设计理念最终可能有助于解决一个重要问题。”

Belcher甚至不会推测将其开发成商业产品可能需要多长时间,但她说,在两年内,她希望有一个原型设备可以执行将水分解为氧气和氢气的整个过程,使用自我维持和持久的系统。

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