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普渡大学探讨人工光合作用 有望提供清洁、可持续的能源

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58京牌 植物可以从太阳光中获得能量,这种将阳光直接转化为可用能源的过程,称为光合作用。,普渡大学理学院(Purdue’s College of Science)的生物物理学家和物理学教授Yulia Puskhar尝试模仿植物,以利用太阳能获得清洁、可储存、高效的燃料。这将有助于开辟全新的清洁能源领域,一小时内以阳光形式照射到地球上的能量,足以满足人类文明一整年的能源需求。

(图片来源:普渡大学)

光合作用是一个复杂的过程。植物通过这一过程,将太阳光和水分子转化为葡萄糖形式的可用能量。通常情况下,这需要用到叶绿素,以及蛋白质、酶和金属。

目前,最接近光合作用的人工过程是光伏技术,通过太阳能电芯,将太阳能转化为电能。然而,这一过程效率低下,只能捕获大约20%的太阳能。相比之下,光合作用的效率要高得多,能够将60%的太阳能作为化学能储存在相关生物分子中。

在简单的光伏电池中,太阳能电池板的效率,受到半导体吸收光能的能力和电芯发电能力的限制。通过人工光合作用,可以超越这些限制。Pushkar表示:“相关系统应该很容易实现60%的效率,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蛋白质每秒可运行一千次。眨眼的工夫,一切就完成了。”

Pushkar的团队通过构建人造树叶模拟物来模仿这一过程,以收集光并分解水分子,从而产生氢气。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,或内置于燃料电池中,为车辆、房屋、小型电子设备、实验室和医院等提供动力。

最近,该团队对光合作用过程中的水分子分裂方式进行观察。科学家们利用天然光系统II蛋白质和合成催化剂组合进行实验,以了解其中最有效的因素及其起作用的方式。与此同时,研究人员还优先使用易于获取且无毒的化合物和化学品。然而,人工光合作用的研究过程很缓慢,因为这牵扯到多方面因素。Pushkar表示:“这种反应非常复杂。分解水分子的化学过程极其繁复困难。”

Pushkar认为,未来10-15年内,相关研究将取得长足进步,商业人工光合系统可能投入使用。

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