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改變自然法則!科學家實現半人工光合產氫,無限能源供應要來了?

9月
12
2018

2018年9月12日18時 今日科學 環球科學大觀

環球科學大觀

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億萬年來,地球上的生命無時不刻地吸收太陽光並將其轉化存儲為燃料源,這就是光合作用的過程。最近,由英國劍橋大學研究團隊對這一古老的自然過程進行了全新的改進,將光合作用途徑與氫化酶聯繫起來,找到了將水分解為氫和氧的更有效的方法,並將陽光變成了無限可再生燃料。毫無疑問,這一研究為人類暗淡的能源未來帶來一絲曙光…

光合作用是指綠色植物吸收光能,將水和二氧化碳重排成富能糖類化合物,同時釋放游離氧的過程。死去的植物埋藏於地下,受地熱的作用,經過幾千萬年乃至幾億年的炭化過程,釋放出水份、二氧化碳、甲烷等氣體後含氧量減少最終形成煤炭——重要的化石燃料。然而,煤炭的使用帶來了不可逆的二氧化碳釋放問題,即溫室效應,並引起國際社會的廣泛關注,科學家也致力於清潔能源的創新。

而光解水產氫是一種新型清潔能源,但目前為止,大多數光解水方法都依賴於昂貴且效率並不高的催化劑,這使得規模化生產變得極具挑戰性。不過就能量捕獲過程而言,光合作用也並沒有太高的效率。畢竟,植物每天只吸收太陽光能量的百分之幾。

氫化酶是存在於藻類植物中的能夠將質子還原成氫氣的一種古老的酶,而這一過程並不是植物生存所必需的,因此在植物進化進程中已被廢棄。不過,科研人員發明了一種光合作用的半人工版本,改進了自然界的規則,重新激活了這一因進化而長期廢棄的過程,成功地將水分解為氫氣和氧氣。

光系統Ⅱ(photosystem Ⅱ complex,PSⅡcomplex)是類囊體膜中的一種光合作用單位,它含有兩個捕光複合物和一個光反應中心。研究人員創建一個基於光系統II的電化學電池,提供了氫化酶進行工作所需的必要電壓,減少了水中的氫,使氫氣可以從氧氣中分離出來。雖然原理很簡單,但將人工系統與有機工藝相結合起來卻並非易事。

研究人員表示,「這項工作克服了將生物和有機成分整合到無機材料中以組裝半人工裝置的許多困難挑戰,這可能是開發太陽能技術的一個很好的平台。從這些反應中學習,將其他反應結合在一起,然後建立合成的、更強大的太陽能技術。」目前該技術尚屬於研究初期,需要後續做更多的研究支撐。只有尋找到天然有機材料和人工干預的適當平衡點才可能擴展到工業階段。

雖然科研人員已經取得了很大的進展,氫燃料經濟在未來具有很大的發展空間,但氫存儲和運輸等領域還面臨諸多挑戰,讓我們共同期待吧…

文/朱張航宇

參考文獻:Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase,Nature Energy,2018,Published: 03 September 2018.


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