覆蓋在池塘和海洋表面的各種不起眼的藻類可能是提高人工光合作用效率的關(guān)鍵，使科學(xué)家能夠在這個過程中產(chǎn)生更多的能量和更少的廢物。

新加坡南洋理工大學(xué)(NTU新加坡)的科學(xué)家們進行的一項研究表明，將藻類蛋白質(zhì)包裹在液滴中如何能夠?qū)⒃孱惖牟豆夂湍芰哭D(zhuǎn)換特性大幅提高三倍。這種能量是藻類進行光合作用時產(chǎn)生的，光合作用是植物、藻類和某些細菌利用陽光中的能量并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。

通過模仿植物如何將陽光轉(zhuǎn)化為能量，人工光合作用可能是一種不依賴不可再生的化石燃料或天然氣的可持續(xù)發(fā)電方式。由于從陽光到電能的自然能量轉(zhuǎn)換率很低，提高總發(fā)電量可以使人工光合作用在商業(yè)上可行。

這項研究由電子電氣工程學(xué)院的助理教授陳玉成領(lǐng)導(dǎo)，研究了在紅藻中發(fā)現(xiàn)的一種特殊類型的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)被稱為藻膽蛋白，負責(zé)吸收藻類細胞內(nèi)的光，以啟動光合作用。
 
藻膽蛋白從整個光譜范圍的光波長中獲取光能，包括那些葉綠素吸收不良的光能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

陳助理教授說:“由于其獨特的發(fā)光和光合特性，藻膽蛋白在生物技術(shù)和固態(tài)設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用前景。提高集光設(shè)備的能量一直是利用光作為能源的有機設(shè)備開發(fā)工作的核心。”

該團隊的研究可能會導(dǎo)致一種新的，可持續(xù)的太陽能發(fā)電方式，不依賴于不可再生的化石燃料或天然氣。基于藻膽蛋白的新生物技術(shù)可用于制造更高效的太陽能電池，并為人工光合作用的更高效率鋪平道路。

使用藻類作為生物能源是可持續(xù)發(fā)展和可再生能源領(lǐng)域的熱門話題，因為藻類的使用可能會減少太陽能電池板制造過程中產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)品的數(shù)量。

該研究支持NTU將可持續(xù)發(fā)展作為其2025年戰(zhàn)略計劃的一部分，該計劃旨在了解、闡明和解決人類對環(huán)境的影響。

這些發(fā)現(xiàn)被發(fā)表并被選為科學(xué)雜志的封面——ACS應(yīng)用材料.

三倍人工光合作用效率
微藻吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為能量。為了放大藻類可以產(chǎn)生的能量，研究小組開發(fā)了一種方法，將紅藻包裹在尺寸為20至40微米的小液晶微滴中，并將其暴露在光線下。

當光線照射到液滴上時，會出現(xiàn)一種被稱為“回音廊模式”的效果，光波在液滴的彎曲邊緣周圍傳播。光被有效地捕獲在液滴中更長的時間，為光合作用提供更多的機會，從而產(chǎn)生更多的能量。

光合作用期間以自由電子形式產(chǎn)生的能量可以通過電極以電流的形式被捕獲。

“水滴的行為就像一個諧振器，限制了大量的光，”助理教授陳說。“這給了藻類更多的光照，增加了光合作用的速率。用藻類蛋白質(zhì)覆蓋液滴的外部也可以獲得類似的結(jié)果。”
 
“通過利用微液滴作為集光生物材料的載體，液滴內(nèi)部的強局部電場增強和光子限制導(dǎo)致了顯著更高的發(fā)電量。”他說。

這種液滴可以很容易地以低成本批量生產(chǎn)，使得研究小組的方法可以廣泛應(yīng)用。 陳助理教授說，大多數(shù)基于藻類的太陽能電池每平方厘米能產(chǎn)生20-30微瓦的電能2).與單獨的藻類蛋白質(zhì)的能量產(chǎn)生速率相比，NTU藻類-液滴組合將這種能量產(chǎn)生水平提高了至少兩到三倍。

將“生物垃圾”轉(zhuǎn)化為生物能源
人工光合作用旨在復(fù)制植物將陽光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的自然生物過程。目標是建立一種方法，使能源可再生、可靠和可儲存，而不會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。

人工光合作用的挑戰(zhàn)之一是像太陽能電池板等其他太陽能能源一樣高效地產(chǎn)生能量。平均而言，太陽能電池板的效率為15%至20%，而人工光合作用的效率目前估計為4.5%。

陳助理教授說:“人工光合作用的發(fā)電效率不如太陽能電池。然而，它更具可再生性和可持續(xù)性。由于對環(huán)保和可再生技術(shù)的興趣越來越大，從藻類的捕光蛋白中提取能量已經(jīng)引起了生物能源領(lǐng)域的極大興趣。”

陳助理教授設(shè)想了“藻類農(nóng)場”的一個潛在應(yīng)用案例，即水體中密集生長的藻類最終可以與更大的液晶液滴結(jié)合，制造出漂浮的發(fā)電機。

“我們實驗中使用的微液滴有可能擴大到更大的液滴，然后可以在實驗室環(huán)境之外應(yīng)用于藻類來產(chǎn)生能量。雖然有些人可能會認為藻類生長難看，但它們在環(huán)境中起著非常重要的作用。我們的發(fā)現(xiàn)表明，有一種方法可以將一些人眼中的‘生物垃圾’轉(zhuǎn)化為生物能源，”助理教授陳說。