@ 2014.02.25 , 08:55

科学家制造出强悍“植物”:用太阳能生产氢气的人造树叶

长期以来,人们一直在努力找到一种廉价、高效的清洁燃料,氢气无疑是最理想、优先的选择,它可以作为航天器的推进剂,理论上也能作为内燃机和各种交通工具(包括民航)的燃料。原理上只要把水分解成氢原子和氧原子就可以得到氢气,我们也都知道树叶通过光合作用能利用太阳能把水光解成氢和氧。

但利用这样利用太阳能生产氢气其实并不简单,一直以来不乏尝试,但是实现起来往往有技术困难或成本过高。

如今美国亚利桑那州大学(ASU)和阿贡国家实验室的科学家又从自然界获得灵感,已经利用该理念设计出了一种人造树叶,距离制造廉价氢气又更近了一步。

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Thomas Moore是ASU的化学教授。他和同事觉得最初造出的人造叶子并不理想,通过分析流程设计,他们注意到反应流程中的一个反应步骤拖慢了整个流程。

将光能为我们所用需要经过一系列的反应流程,这些反应有快有慢,流程关键的反应大致分作一快一慢两步,“快反应”完成光能到化学能的转换,“慢反应”利用这些化学能将水分子分解为原子。因此整个流程可能会被慢速的反应拖慢,而且“慢反应”的速度也会抑制到“快反应”的进行,于是这个慢速的反应就变成了人造叶子生产率的瓶颈(有点像短板效应)。

再仔细研究这一反应步骤之后,科学家们意识到他们可以做更多改进——仿照自然界里的 中间反应。这个中间反应使使得快、慢两个反应交错进行,即 在“慢反应”有足够时间进行的同时,“快反应”也能够继续进行,于是 流程整体不会变慢。

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上图左侧是人造叶子光合作用的原理示意图。黄色的部分起到传递电子的作用。右侧是自然界光合作用系统的示意图。
(记得高中讲 自然界里面传递电子的好像是反应中心色素周围的呈递色素,传递的好像也不是电子 NAPD+??@%#…………谁来科普下)

借助晶体衍射和光谱分析,该团队从原子尺度上分析这一反应中 电子和质子参与的阶段的反应的环境。

他们发现 之所以自然界的里反应没有上文说的瓶颈限制,是因为一种特殊的结构——氢原子和附近的氮原子会有特别的短键。通过模仿这一结构改造了人造叶子后取得了很好的效果。

虽然这一研究成果现在还不能用于大规模的生产能源,但还是在制造出可循环和碳中和燃料的路上更进了一步。除此之外,该研究还加深了我们对自然界植物的光合作用原理的理解。

本文译自 dailymail,由译者 bdus 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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