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用于生物太阳能电池的新能量转换层

鲁尔大学波鸿分校(RUB)的研究团队与里斯本的同事一起生产了一种半人造电极,该电极可以将光能转换成生物太阳能电池中的其他形式的能量。该技术基于蓝细菌的光合作用蛋白PhotosystemI。该小组表明,他们可以将其系统与一种酶耦合,该酶利用转换后的光能产生氢。研究结果提前于2020年10月在线发表在Angewandte Chemie杂志上。

对于这项工作,由电化学中心的王盼盼博士,赵方远博士,朱利安·斯切斯尼博士,朱利安·拉夫博士,费利佩·孔祖埃洛博士和沃尔夫冈·舒曼教授组成的RUB小组与由安娜·弗兰克教授组成的小组合作植物生物化学系主任Marc Nowaczyk和MatthiasRögner教授以及里斯本新星大学的同事。

短路危险

光系统I是蓝细菌和植物中光合作用机制的一部分。借助光能,它可以分离电荷,从而产生高能电子,该电子可以转移到其他分子,例如转移到质子上以产生氢。

在早期的工作中,波鸿的科学家已经使用了集光蛋白复合物光系统I来设计用于生物太阳能电池的电极。为此,他们用光系统I单层覆盖了电极。在这样的单层中,光系统不是彼此堆叠在一起,而是在同一平面上并排放置。但是,光系统I通常以三聚体的形式出现,即三个光系统始终链接在一起。由于三聚体不能紧密堆积在一起,因此在单层中会出现孔,这可能导致短路。这会损害系统的性能。科学家在当前工作中正是解决了这个问题。

光系统层中的孔被堵塞

在伸长的蓝藻嗜热链球菌中,光系统I主要作为三聚体存在。使用一种新的提取技术,研究人员能够从生物体中另外分离出单体,从而在电极上形成一个光系统I单层,其中单体填充了三聚体之间的孔。这样,它们减少了短路效应。该系统实现的电流密度是仅包含三聚物的系统的两倍。

为了说明该技术的原理,科学家将其与一种氢酶结合,该酶利用光系统提供的电子产生氢。这组作者写道:“未来的工作将致力于使光系统单层与集成的生物催化剂之间更加有效的耦合,以实现用于太阳能转化的实用生物系统。”

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