以自然為模型的更高效的生物太陽能電池

可再生能源的潛在來源包括負責光合作用的蛋白質復合物。但是，它們在技術應用中的效率仍然有很多不足之處。例如，它們不能將綠光轉換成能量。來自波鴻魯爾大學和海法以色列理工學院的研究團隊通過將光合作用蛋白復合物與藍細菌的集光蛋白相結合，成功地消除了所謂的綠隙。該小組于2020年5月11日在《材料化學雜志A》上在線預發布了他們的報告。

模仿植物，藻類和細菌

生物太陽能電池是一種將陽光轉化為電能的創新概念。它們是使用自然界的生物成分制成的。它們的核心是所謂的光系統：大型蛋白質復合物，負責植物，藻類和藍細菌的能量轉換。Photosystem II(簡稱PSII)在此過程中起著核心作用，因為它可以使用水作為電子源來發電。

迄今為止，在試管中的合作均未成功

RUB光合作用分子機制項目組負責人Marc Nowaczyk教授解釋說：“但是，由于PSII的獨特性，它的效率受到限制，因為它只能使用一定比例的陽光。” 特別是在所謂的綠色差距方面，PSII幾乎處于無效狀態。藍細菌已經通過形成特殊的聚光蛋白即藻膽體解決了這個問題，該蛋白也利用了這種光。這種合作在自然界中有效，但在試管中還沒有。”

超級復合物使用兩倍于綠色間隙的光子

通過與RUB的Wolfgang Schuhmann教授的研究小組和以色列的Noam Adir教授的研究小組合作，Nowaczyk的團隊成功地生產了一種由兩部分組成的生物電極。主要的困難是多蛋白復合物的功能相互作用，其中一些跨物種結合在一起。

研究人員使用短鏈化學交聯劑穩定了這些超級復合物，該交聯劑將蛋白質永久固定在彼此之間非常短的距離處。在下一步中，他們將它們插入適當的電極結構中。該研究的主要作者沃爾克·哈特曼博士說：“我們通過結合使用定制的三維透明電極和氧化還原活性水凝膠來應對這一挑戰。” 與沒有任何光收集復合體的系統相比，這種設計使研究人員能夠在綠色間隙內使用兩倍的光子。

有希望的過渡階段

蛋白質復合物在試管中的組裝被認為是生物太陽能電池發展中一個有希望的過渡階段。因此，不同物種的優勢可以在半人工系統中進行功能組合。將來，研究人員將主要致力于優化生物成分的生產和壽命。

華盛頓州立大學的研究人員在固體氧化物燃料電池(SOFC)方面取得了關鍵性進展，可以使高能效，低污染的技術成為為汽車提供動力的汽油內燃機的替代方案。

博士領導 基因和琳達·沃伊蘭德化學工程與生物工程學院的研究生Qusay Bkour和Su Ha教授研究人員開發了一種獨特且廉價的納米顆粒催化劑，該催化劑可使燃料電池將邏輯液體燃料(例如汽油)轉化為電能，而不會在燃燒過程中停滯。電化學過程。該研究發表在《應用催化B：環境》雜志上，該研究可能會導致高效汽油驅動的汽車產生低二氧化碳排放量，從而導致全球變暖。

布庫爾說：“人們非常關注能源，環境和全球變暖。” “我感到非常興奮，因為我們可以解決能源問題，同時減少導致全球變暖的排放。”

燃料電池提供了一種清潔高效的方式，可將燃料中的化學能直接轉化為電能。它們與電池相似，因為它們具有陽極，陰極和電解質。但是，與僅輸送先前存儲的電量的電池不同，燃料電池只要有燃料，就可以連續輸送電流。

因為它們通過電化學反應運行而不是使活塞進行機械工作，所以燃料電池比我們汽車中的內燃機更有效。當氫氣用作燃料時，它們唯一的廢物是水。

盡管氫燃料電池技術前景廣闊，但是將高壓氫氣存儲在燃料箱中仍然帶來了巨大的經濟和安全挑戰。美國的氫氣基礎設施很少，該技術的市場滲透率很低。

布庫爾說：“我們還沒有現成的燃料電池，它可以依靠汽油等后勤液體燃料運行。”

與純氫燃料電池不同，發達的SOFC技術可以在多種液體燃料上運行，例如汽油，柴油，甚至是生物基柴油燃料，并且不需要在催化劑中使用昂貴的金屬。以汽油SOFC為動力的汽車可以使用現有的加油站。

但是，使用汽油運行的燃料電池往往會在電池內積聚碳，從而停止轉化反應。液體燃料中常見的其他化學物質(例如硫)也會停止反應并使燃料電池失活。

Bkour說：“碳誘導的催化劑失活是與液態烴催化重整有關的主要問題之一。”

對于他們的SOFC燃料電池，WSU團隊使用了一種由鎳制成的廉價催化劑，然后添加了鉬元素的納米顆粒。測試他們的鉬摻雜催化劑后，他們的燃料電池能夠連續運行24小時而不會出現故障。該系統可抵抗積碳和硫中毒。相反，普通的鎳基催化劑在一小時內失效。

液體燃料電池技術為各種耗電的市場提供了巨大的機會，包括運輸應用。研究人員現在正在與汽車工業建立橋梁，以制造可在現實世界和更持久的條件下運行的燃料電池。