破解蓝绿藻光合作用之谜,用以提升太阳能电池效率

作者 | 发布日期 2018 年 05 月 27 日 6:10 | 分类 太阳能 , 电池 , 能源科技
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与植物光合作用效率相比,人造太阳能设备仅能转换少少的太阳光,且转换效率慢、机器又笨重,因此科学家想要找出植物光合作用高效之谜,或许可进一步提升太阳能电池性能。



叶绿素等色素(pigments)是植物光合作用效率高的功臣,当光照射到叶绿体时,其中电子会被一系列色素单向传递与激发,最后将二氧化碳、水或是硫化氢转化成碳水化合物。而有别于植物的单向路径,人工太阳能电池由于很容易将电子反弹,进而失去能量并降低效率。

该研究 2017 年发布于《美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)》,认为色素的单向路径是植物光合作用高效祕方。虽然类似研究已在 1992 年提出,但在此之前都没有被证实。

为了更了解光合作用过程与其复杂反应,美国乔治亚州立大学物理与天文系生质学家 Gary Hastings 团队利用红外光谱分析红外光与物质如何相互作用,并获得美国能源局基础能源部门 40 万美元资助,希望可以提升人工太阳能电池效率与打造更简单的太阳光捕获系统。

团队研究对象并非一般绿叶植物,而是蓝绿藻的分支集胞藻(Synechocystis),研究发现只要将集胞藻中的叶绿醌色素嵌入蛋白质中,其相互作用便会产生特殊性质,而研究希望能用其他色素代替叶绿醌,借由不同结构色素改变光合作用系统。

团队透过激光让集胞藻行光合作用,并用红外光追踪电子转移引起的色素分子键和周围蛋白质变化,这些资料让团队得以改良色素─蛋白质系统,并控制电子的移动速度。Hastings 表示,纯化植物材料过程相当复杂,比起植物细胞,对蓝绿藻进行基因修饰(genetically engineer)更为简单。

Hastings 指出,团队的研究可指引太阳能电池新方向,像是全新的太阳能制氢方式;且电子转移、色素和蛋白质关系等知识也可以应用到其他领域,因为这些都是生物化学的核心。

而除了用于提升太阳能设备效率,团队也致力于研究如何将该藻类用于其他用途,例如制成生物燃料,藻类细胞生长时会产生脂类(lipids),可从细胞中萃取脂类并转化为柴油燃料。

Hastings 表示,未来该研究也或许能用于检测藻华,避免越来越多水池优养化与污染。藻类大量堆积可能会导致饮用水污染、藻类毒素透过食物链影响人体健康,而团队目标是使用光谱检测藻华并预测其是否会再次大量生长。

(本文由 EnergyTrend 授权转载;首图来源:pixabay)

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