人工光合作用效率提高三倍!新发现促进微藻发电,将“生物垃圾”转化为生物能源

2021年10月20日 阅读量:2

覆盖池塘和海洋表面的各种不起眼的藻类可能是提高人工光合作用效率的关键,使科学家能够在此过程中产生更多能量并减少浪费。

 

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)科学家的一项研究表明,将藻类蛋白质包裹在液滴中可以显着增强藻类的光收集和能量转换特性,使其效率提高三倍。这种能量是在藻类进行光合作用时产生的,这是植物、藻类和某些细菌利用阳光能量并将其转化为化学能的过程。

通过模仿植物如何将阳光转化为能量,人工光合作用可能是一种可持续的发电方式,不依赖于不可再生的化石燃料或天然气。由于从阳光到电能的自然能量转换率很低,因此提高总发电量可以使人工光合作用在商业上可行。

 

该研究由电气与电子工程学院的助理教授陈玉成领导,研究了在红藻中发现的一种特殊类型的蛋白质。这些称为藻胆蛋白的蛋白质负责吸收藻类细胞内的光以启动光合作用。

 

藻胆蛋白从光波长的光谱范围内收集光能,包括叶绿素吸收不良的光能,并将其转化为电能。

 

陈助理教授说:“由于藻胆蛋白具有独特的发光和光合作用特性,在生物技术和固态设备中具有广阔的应用前景。提高光收集装置的能量一直是有机设备开发工作的核心用光作为动力源。”

 

使用藻类作为生物能源是可持续性和可再生能源领域的热门话题,因为使用藻类可能会减少太阳能电池板制造过程中产生的有毒副产品的数量。

 

该研究支持南大对可持续发展的承诺,作为其 2025 年战略计划的一部分,该计划旨在了解、阐明和解决人类对环境的影响。

 

研究结果发表并被选为科学期刊ACS Applied Materials Interfaces的封面。

 

将人工光合作用效率提高三倍

 

微藻吸收阳光并将其转化为能量。为了放大藻类可以产生的能量,研究小组开发了一种方法,将红藻包裹在大小为 20 至 40 微米的小型液晶微滴中,并将它们暴露在光线下。

 

当光击中液滴时,会发生一种称为“耳语画廊模式”的效应,其中光波围绕液滴的弯曲边缘传播。光被有效地困在水滴中的时间更长,为光合作用提供了更多的机会,从而产生更多的能量。

 

在光合作用过程中以自由电子的形式产生的能量可以通过电极作为电流被捕获。

 

“液滴就像一个谐振器,可以限制大量光线,”陈助理教授说。

 

“这使藻类更多地暴露在光线下,提高了光合作用的速率。通过用藻类蛋白质涂覆液滴的外部也可以获得类似的结果。”

 

“通过利用微液滴作为捕光生物材料的载体,液滴内部的强局部电场增强和光子限制导致显着更高的发电量,”他说。

 

液滴可以以低成本轻松批量生产,使研究团队的方法具有广泛的适用性。

 

根据陈助理教授的说法,大多数基于藻类的太阳能电池产生的电能为每平方厘米 20-30 微瓦 (µW/cm 2 )。与单独藻类蛋白质的能量产生率相比,NTU 藻类-液滴组合将这种能量产生水平提高了至少两到三倍。

 

将“生物垃圾”转化为生物能源

 

人工光合作用的挑战之一是像太阳能电池板等其他太阳能能源一样高效地产生能量。平均而言,太阳能电池板的效率等级为 15% 至 20%,而目前估计人工光合作用的效率为 4.5%。

 

陈助理教授说:“人工光合作用在发电方面不如太阳能电池有效。但是,它更具可再生性和可持续性。由于人们对环保和可再生技术的兴趣日益浓厚,从藻类中的捕光蛋白中提取能量已经成为一种趋势。引起了人们对生物能源领域的极大兴趣。”

 

陈助理教授设想了“藻类农场”的一个潜在用例,在这种情况下,水体中密集生长的藻类最终可以与更大的液晶液滴结合,形成漂浮的发电机。

“我们实验中使用的微液滴有可能放大成更大的液滴,然后可以将其应用于实验室环境之外的藻类以产生能量。虽然有些人可能认为藻类生长不雅观,但它们起着非常重要的作用。在环境中的作用。我们的研究结果表明,有一种方法可以将一些人可能认为的‘生物垃圾’转化为生物能源,”陈助理教授说。

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