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人工光合作用将开启清洁能源新时代

普渡大学生物物理学家Yulia Pushkar致力于破译光合作用密码。

人类可以完成很多植物无法做到的事情,但植物也有超越人类的优势――通过光合作用,植物能将阳光直接转化为可用能源。如果人类能成功复制这一高效的产能、储能过程,他们将开辟一个全新的清洁能源领域,因为一小时内的日照能量,足以满足人类一整年的能源需求。techxplore.com网站当地时间6月15日报道,美国普渡大学研究人员Yulia Pushkar教授已经破译了人工光合作用的部分密码。相关研究成果刊登在《化学催化》杂志中。

风能和太阳能是两种最主要的清洁能源,它们都需要笨重的光伏电池提供能量转化、存储场所。引入人工光合作用,将大幅改变可再生能源的格局。Pushkar教授说:“风力涡轮机和光伏电池都会受到环境等复杂因素的影响。人工光合作用或许能绕过这些障碍。”

光合作用是一个非常复杂的过程。植物依靠叶绿素、蛋白质、酶和金属元素,将太阳光和水分子转化为葡萄糖形式的能量。目前,光伏技术是最接近人工光合作用的能源技术,然而,它的效率(20%)远低于光合作用的效率(60%)。简单光伏电池(太阳能电池板)的效率受到半导体光能吸收效率和电池发电性能的限制。而人工光合作用有望突破这些限制。Pushkar教授说:“在观察到自然光合作用的先例后,构建60%效率的系统似乎不是难事。如果我们足够激进,甚至能设想效率高达80%的系统。水的分解反应是人工光合作用的第一步反应。植物中的光系统II蛋白质每秒可以完成上千次反应。”

Pushkar团队正在模仿这一过程。他们试图制造人工叶片,收集阳光并分解水分子来产生氢。氢既可以作为燃料电池的燃料使用,也能够添加到天然气等其他燃料中,还能内置到燃料电池中,为汽车和小型电子设备提供动力。Pushkar教授利用自然光系统II蛋白质与合成催化剂进行了实验,希望找出最佳组合,并分析其工作机制。此外,他们还在人工光合作用系统中优先使用了地球富元素。分解水分子的化学过程极为复杂和困难,论文对此进行了详细阐述。

自20世纪70年代以来,科学家们一直在研究人工光合作用。直到最近,该领域才取得一定突破。然而,植物花了数百万年时间才进化出这一特殊作用,科学家们认为,光合作用只进化过一次,大约是在30亿年前。据Pushkar教授称,在未来10~15年内,人工光合作用研究将取得足够进展,商业人工光合作用系统届时也将上线。

科界原创

编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《化学催化》

期刊编号:2667-1093

原文链接:

https://techxplore.com/news/2021-06-sun-artificial-photosynthesis-sustainable-source.html

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