2024年06月14日 星期五
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合成的“紫色膜”将阳光转变成氢燃料

2019/10/15 13:02:071648

据外国媒体报道:美国能源部阿贡国家实验室的研究人员发现了一种新的利用太阳能生产燃料的方法。其开发的生物质阳光采集装置完全由人工合成的方法完成,并且可以不需要活细胞体就可以实现太阳能的收集。

该研究成果以Cell-Free Synthetic Biology Chassis for Nanocatalytic Photon-to-Hydrogen Conversion为题发表在了ACS Nano上,第一作者为阿贡国家实验室纳米尺度材料中心的一位科学家Elena Rozhkova,合作者包括:西北大学的Angela Chang,阿贡的材料科学部门的ValentynNovosad,莫斯科物理与技术研究所的Vladimir Cupin和纳米尺度材料和西北大学的Richard Schaller。据悉,论文作者将这种新材料称为“合成紫膜”,是生产清洁燃料,帮助解决全球能源挑战的重要一步。

Purple power: Synthetic ‘purple membranes’ transform sunlight to hydrogen fuel

这些合成的紫色膜包含脂质,人造蛋白质和半导体纳米颗粒的有机化合物的微小圆盘,当它们合在一起时,可以将阳光转化为氢燃料。Rozhkova表示,与其他方法不同,团队已经能够使用环保的无镉材料来使纳米结构在可见光下有效地工作。

人造蛋白质通常存在于Halobacterium salinarum的膜中,这是一种古老的单细胞生物,生活在极端高盐的条件下,如犹他州的大盐湖和黄石国家公园的温泉,呈现为紫色羽状水。在细菌中,蛋白质使用来自可见光的能量将质子泵送穿过细胞膜,产生化学能梯度,从而生产并储存能量。

为了创建膜蛋白的合成版本,研究人员使用了最少的关键细胞元素:纳米圆盘,通过编码蛋白质的合成DNA,制造所需的其他生物成分,包括氨基酸,以及分离的核糖体蛋白质的部分。这使得合成细菌视紫红质在纳米圆盘中的成功表达。这表明Elena Rozhkova和阿贡国家实验室的研究人员成功开发了合成紫膜组件。包括纳米圆盘,二氧化钛和铂纳米颗粒的组件可以将阳光转化为氢燃料。

阿贡国家实验室的材料科学家Val Novosad表示,使用高分辨率扫描探针显微镜,人造蛋白质合成的过程非常精确地可视化。一旦制备,合成紫色膜与二氧化钛纳米颗粒组装,在可见光下析氢。当人造蛋白质改性的二氧化钛吸收可见光时,它使用光的能量产生电子,最终与助催化剂表面上的质子相互作用形成氢。结果表明,与基于细菌紫膜的系统相比,完全人造系统有与之相似甚至更高的产氢效率。

该研究强调了半导体从可见光中吸收能量的能力,而不是紫外线(UV)光,这是可再生能源研究的核心。因为在所有从太阳进来的光中,只有约4%的光含有紫外线光,这使得紫外线光不是能源生产方面的最佳选择。