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    科学家模仿光合作用从水中提取氢
    发布者:纳米科技世界论坛  日期:2012/5/4  点击:4655

    麻省理工学院的科学家从植物的光合作用过程中获得了灵感,将水转化为氢气和氧气。

    通过光合作用,植物利用阳光把水分解,产生化学燃料来为它们的生长提供动力。

    同样,将水分裂可以成为一个潜在解决方案,能够让太阳能电池板即使在太阳下山后仍能继续发电。通过使用太阳光从水中生产氢气,氢气可以被储存起来,通过燃料电池或液体燃料的方式,来随时为汽车发电。

    为了重现水分解的过程,研究小组使用了被称为M13的转基因病毒。它能够吸附并固定催化剂分子,比如铱氧化物、生物色素、锌卟啉。该研究小组由材料科学与生物工程教授Angela Belcher领导。

    催化剂分子与病毒结合后,转基因病毒可以作为一个生物学基底,使得色素和催化剂形成排列。色素起到天线的作用,可以捕捉阳光,并能够将能量传到病毒线上,产生水分裂反应。

    Belcher女士说,附着的卟啉能够使病毒有效地吸收阳光。

    然而,病毒线终会结块,导致效率损失。为了解决这个问题,该小组将病毒线封装在一个微凝胶矩阵中以保持其结构、稳定性和效率。

    研究小组也集中研究技术上更有挑战性的部分——从水中分裂氧气。植物和蓝藻(也叫蓝绿藻)具有的、高度组织化的光合系统,可以有效地从水中分解氧。

    其他科学家试图利用植物的光合作用组件来收集太阳光,但在材料的结构稳定性上遇到了困难。

    因此,Belcher女士和她的同事决定方法上采用光合作用,而不是直接利用光合作用的组件。他们模仿了植物细胞的天然色素吸收阳光、引发水分裂反应的过程。

    “我们利用的组件是人们以前使用过的。但是,我们利用生物学方法将它们组合起来,可以得到更高的效率,”她说。

    论文的作者博士生Yoon Sung Nam说,利用病毒来实现系统的自组装,可以将氧气的生产效率翻两翻。该论文被发表在《Nature Nanotechnology》杂志上。

    下一步是要发现一个类似的生物系统,以提高氢的生产效率。

    目前,该小组正在开发系统的第二部分,将氢和水分裂过程产生的其它分子的质子和电子结合起来。

    此外,研究小组正在努力寻找成本更低的通用材料作催化剂,以取代昂贵稀有的铱。

    Belcher女士没有指出产品商业化的具体时间。但她预计,两年内他们将能够成功地建立一个可自持系统的原型。

    不过,宾夕法尼亚州立大学材料化学与物理教授Thomas Mallouk说,在这种系统或其它任何人工光合作用系统被用于能量转换之前,该研究小组还有很多问题需要解决。

    他补充表示,这种系统的效率必须比天然光合作用高至少10倍以上,能够重复光合反应10亿次,并使用成本更低的材料,才能比其他太阳能发电方式更具有成本优势。

    不过,Mallouk先生对该方面的技术突破仍保持乐观。 他说:“这在短期内是不可能的。但是,这篇论文的设计思想,为解决一些这方面的难题提供了重要的思路!

    原文作者:Honey Garcia

     
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