科學家制造出強悍“植物”:用太陽能生產氫氣的人造樹葉

類別: 新奇

長期以來,人們一直在努力找到一種廉價、高效的清潔燃料,氫氣無疑是最理想、優先的選擇,它可以作為航天器的推進劑,理論上也能作為內燃機和各種交通工具(包括民航)的燃料。原理上只要把水分解成氫原子和氧原子就可以得到氫氣,我們也都知道樹葉通過光合作用能利用太陽能把水光解成氫和氧。

但利用這樣利用太陽能生產氫氣其實並不簡單,一直以來不乏嘗試,但是實現起來往往有技術困難或成本過高。

如今美國亞利桑那州大學(ASU)和阿貢國家實驗室的科學家又從自然界獲得靈感,已經利用該理念設計出了一種人造樹葉,距離製造廉價氫氣又更近了一步。

科學家制造出強悍“植物”:用太陽能生產氫氣的人造樹葉

Thomas Moore是ASU的化學教授。他和同事覺得最初造出的人造葉子並不理想,通過分析流程設計,他們注意到反應流程中的一個反應步驟拖慢了整個流程。

將光能為我們所用需要經過一系列的反應流程,這些反應有快有慢,流程關鍵的反應大致分作一快一慢兩步,“快反應”完成光能到化學能的轉換,“慢反應”利用這些化學能將水分子分解為原子。因此整個流程可能會被慢速的反應拖慢,而且“慢反應”的速度也會抑制到“快反應”的進行,於是這個慢速的反應就變成了人造葉子生產率的瓶頸(有點像短板效應)。

再仔細研究這一反應步驟之後,科學家們意識到他們可以做更多改進——仿照自然界裡的 中間反應。這個中間反應使使得快、慢兩個反應交錯進行,即 在“慢反應”有足夠時間進行的同時,“快反應”也能夠繼續進行,於是 流程整體不會變慢。

科學家制造出強悍“植物”:用太陽能生產氫氣的人造樹葉
上圖左側是人造葉子光合作用的原理示意圖。黃色的部分起到傳遞電子的作用。右側是自然界光合作用系統的示意圖。
(記得高中講 自然界裡面傳遞電子的好像是反應中心色素周圍的呈遞色素,傳遞的好像也不是電子 NAPD+??@%#…………誰來科普下)

藉助晶體衍射和光譜分析,該團隊從原子尺度上分析這一反應中 電子和質子參與的階段的反應的環境。

他們發現 之所以自然界的裡反應沒有上文說的瓶頸限制,是因為一種特殊的結構——氫原子和附近的氮原子會有特別的短鍵。通過模仿這一結構改造了人造葉子後取得了很好的效果。

雖然這一研究成果現在還不能用於大規模的生產能源,但還是在製造出可迴圈和碳中和燃料的路上更進了一步。除此之外,該研究還加深了我們對自然界植物的光合作用原理的理解。

[bdus via dailymail]

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