人工光合作用有望提供清洁可持续的能源

2021-07-09 16:14:47
导读 人类可以做很多植物做不到的事情。我们可以四处走动,我们可以交谈,我们可以听到、看到和触摸。但是植物比人类有一个主要优势:它们可以直

人类可以做很多植物做不到的事情。我们可以四处走动,我们可以交谈,我们可以听到、看到和触摸。但是植物比人类有一个主要优势:它们可以直接从太阳中产生能量。

直接将阳光进入这一过程可用能量-called光合作用其可用很快成为一个壮举人类能够模拟驾驭太阳的能量用于清洁,耐贮藏,高效的燃料。如果是这样,它可能会开辟一个全新的清洁能源领域。一小时内以阳光的形式照射地球的能量足以满足人类文明一整年的能源需求。

普渡大学理学院的生物物理学家和物理学教授 Yulia Puskhar 可能有办法通过模仿植物来利用这种能量。

由光伏电池利用的风能和太阳能是可用的两种主要清洁能源形式。增加第三个——合成光合作用——将极大地改变可再生能源的格局。无需笨重的电池即可轻松储存能量的能力将显着提高人类清洁、高效地为社会供电的能力。

风力涡轮机和光伏发电在环境影响和复杂因素方面都有缺点。Pushkar 希望人工光合作用能够绕过这些陷阱。

普什卡说:“我们和世界各地的其他研究人员正在非常努力地努力寻找可获取的能源。” “我们可以用无毒、容易获得的元素创造清洁和可持续的能源。我们的人工光合作用是前进的方向。”

光合作用是一个复杂的过程,植物将太阳光和水分子转化为葡萄糖形式的可用能量。为此,他们使用色素,通常是著名的叶绿素,以及蛋白质、酶和金属。

当今人类最接近人工光合作用的过程是光伏技术,太阳能电池将太阳能转化为电能。众所周知,这个过程效率低下,只能捕获大约 20% 的太阳能。另一方面,光合作用的效率要高得多。它能够将 60% 的太阳能作为化学能储存在相关的生物分子中。

简单光伏细胞-的效率的太阳能电池板-is由半导体吸收光能力的限制能量和由该细胞的能力,以产生功率。这个极限是科学家可以通过合成光合作用超越的。

“通过人工光合作用,没有基本的物理限制,”普什卡说。“你可以很容易地想象一个效率为 60% 的系统,因为我们已经有自然光合作用的先例。如果我们非常雄心勃勃,我们甚至可以设想一个效率高达 80% 的系统。

“光合作用在分解水方面非常有效,这是人工光合作用的第一步。植物中的光系统 II 蛋白质每秒执行一千次。眨眼,它就完成了。”

Pushkar 的团队正在通过构建她自己的人造树叶模拟物来模仿这一过程,该模拟树叶收集光并分解水分子以产生氢气。氢可以通过燃料电池单独用作燃料,也可以添加到天然气等其他燃料中,或者内置于燃料电池中,为从车辆到房屋到小型电子设备、实验室和医院的一切事物提供动力。她最近的发现是对光合作用过程中水分子分裂方式的洞察,最近发表在化学催化杂志上(细胞出版社)。

Pushkar 实验室的科学家们使用天然光系统 II 蛋白质和合成催化剂组合进行实验,试图了解什么最有效,以及为什么。她还优先使用地球上随处可见、易于获取且对地球无毒的化合物和化学品。

然而,人工光合作用的进展是复杂的,因为光合作用是如此多方面,这一事实为各地的生物化学学生所悲叹。

“反应非常复杂,”普什卡说。“分解水分子的化学过程极其复杂和困难。”

自 1970 年代以来,科学家们一直致力于人工光合作用。那是一段很长的时间,但当您记得光合作用花了数百万年才进化的时候就不是这样了。不仅如此,科学家们还认为,与飞行、通信或智能不同,光合作用只进化了一次——大约 30 亿年前,距地球存在仅 15 亿年。

Pushkar 认为,在接下来的 10 到 15 年内,将会取得足够的进展,商业人工光合作用系统可能会开始上线。她的研究由美国国家科学基金会资助。

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