以自然为模型的更高效的生物太阳能电池

可再生能源的潜在来源包括负责光合作用的蛋白质复合物。但是，它们在技术应用中的效率仍然有很多不足之处。例如，它们不能将绿光转换成能量。来自波鸿鲁尔大学和海法以色列理工学院的研究团队通过将光合作用蛋白复合物与蓝细菌的集光蛋白相结合，成功地消除了所谓的绿隙。该小组于2020年5月11日在《材料化学杂志A》上在线预发布了他们的报告。

模仿植物，藻类和细菌

生物太阳能电池是一种将阳光转化为电能的创新概念。它们是使用自然界的生物成分制成的。它们的核心是所谓的光系统：大型蛋白质复合物，负责植物，藻类和蓝细菌的能量转换。Photosystem II(简称PSII)在此过程中起着核心作用，因为它可以使用水作为电子源来发电。

迄今为止，在试管中的合作均未成功

RUB光合作用分子机制项目组负责人Marc Nowaczyk教授解释说：“但是，由于PSII的独特性，它的效率受到限制，因为它只能使用一定比例的阳光。” 特别是在所谓的绿色差距方面，PSII几乎处于无效状态。蓝细菌已经通过形成特殊的聚光蛋白即藻胆体解决了这个问题，该蛋白也利用了这种光。这种合作在自然界中有效，但在试管中还没有。”

超级复合物使用两倍于绿色间隙的光子

通过与RUB的Wolfgang Schuhmann教授的研究小组和以色列的Noam Adir教授的研究小组合作，Nowaczyk的团队成功地生产了一种由两部分组成的生物电极。主要的困难是多蛋白复合物的功能相互作用，其中一些跨物种结合在一起。

研究人员使用短链化学交联剂稳定了这些超级复合物，该交联剂将蛋白质永久固定在彼此之间非常短的距离处。在下一步中，他们将它们插入适当的电极结构中。该研究的主要作者沃尔克·哈特曼博士说：“我们通过结合使用定制的三维透明电极和氧化还原活性水凝胶来应对这一挑战。” 与没有任何光收集复合体的系统相比，这种设计使研究人员能够在绿色间隙内使用两倍的光子。

有希望的过渡阶段

蛋白质复合物在试管中的组装被认为是生物太阳能电池发展中一个有希望的过渡阶段。因此，不同物种的优势可以在半人工系统中进行功能组合。将来，研究人员将主要致力于优化生物成分的生产和寿命。

华盛顿州立大学的研究人员在固体氧化物燃料电池(SOFC)方面取得了关键性进展，可以使高能效，低污染的技术成为为汽车提供动力的汽油内燃机的替代方案。

博士领导 基因和琳达·沃伊兰德化学工程与生物工程学院的研究生Qusay Bkour和Su Ha教授研究人员开发了一种独特且廉价的纳米颗粒催化剂，该催化剂可使燃料电池将逻辑液体燃料(例如汽油)转化为电能，而不会在燃烧过程中停滞。电化学过程。该研究发表在《应用催化B：环境》杂志上，该研究可能会导致高效汽油驱动的汽车产生低二氧化碳排放量，从而导致全球变暖。

布库尔说：“人们非常关注能源，环境和全球变暖。” “我感到非常兴奋，因为我们可以解决能源问题，同时减少导致全球变暖的排放。”

燃料电池提供了一种清洁高效的方式，可将燃料中的化学能直接转化为电能。它们与电池相似，因为它们具有阳极，阴极和电解质。但是，与仅输送先前存储的电量的电池不同，燃料电池只要有燃料，就可以连续输送电流。

因为它们通过电化学反应运行而不是使活塞进行机械工作，所以燃料电池比我们汽车中的内燃机更有效。当氢气用作燃料时，它们唯一的废物是水。

尽管氢燃料电池技术前景广阔，但是将高压氢气存储在燃料箱中仍然带来了巨大的经济和安全挑战。美国的氢气基础设施很少，该技术的市场渗透率很低。

布库尔说：“我们还没有现成的燃料电池，它可以依靠汽油等后勤液体燃料运行。”

与纯氢燃料电池不同，发达的SOFC技术可以在多种液体燃料上运行，例如汽油，柴油，甚至是生物基柴油燃料，并且不需要在催化剂中使用昂贵的金属。以汽油SOFC为动力的汽车可以使用现有的加油站。

但是，使用汽油运行的燃料电池往往会在电池内积聚碳，从而停止转化反应。液体燃料中常见的其他化学物质(例如硫)也会停止反应并使燃料电池失活。

Bkour说：“碳诱导的催化剂失活是与液态烃催化重整有关的主要问题之一。”

对于他们的SOFC燃料电池，WSU团队使用了一种由镍制成的廉价催化剂，然后添加了钼元素的纳米颗粒。测试他们的钼掺杂催化剂后，他们的燃料电池能够连续运行24小时而不会出现故障。该系统可抵抗积碳和硫中毒。相反，普通的镍基催化剂在一小时内失效。

液体燃料电池技术为各种耗电的市场提供了巨大的机会，包括运输应用。研究人员现在正在与汽车工业建立桥梁，以制造可在现实世界和更持久的条件下运行的燃料电池。